REPLICACION Y TRANSCRIPCION DEL ADN | Desde Mendel hasta las moléculas

REPLICACION Y TRANSCRIPCION DEL ADN | Desde Mendel hasta las moléculas
INTRODUCCIÓN
Diariamente miles de millones de cé-
lulas hemáticas maduras, principalmente
eritrocitos y granulocitos, mueren y son
eliminadas de la circulación. Un número
equivalente de células jóvenes alcanza la
sangre periférica (SP), de manera que se
compensa la pérdida ya señalada. La he-
matopoyesis hace referencia a este pro-
ceso continuo de producción de células
hemáticas. En este artículo, vamos a co-
menzar describiendo las células que com-
ponen el sistema hematopoyético, segui-
damente describiremos la organización
de dicho sistema y, por último, hablare-
mos del funcionamiento normal de la he-
matopoyesis.
ANATOMÍA CELULAR
DE LA HEMATOPOYESIS
El sistema hematopoyético está com-
puesto por diferentes tipo celulares orga-
nizados jerárquicamente (Fig. 1). Mientras
su desarrollo y maduración sucede en lo-
calizaciones anatómicas concretas, los
elementos maduros y, en menor medida,
los inmaduros circulan juntos por la SP.
La hematopoyesis durante
el desarrollo embrionario
La localización anatómica del sistema
hematopoyético cambia a lo largo del de-
sarrollo embrionario y postnatal. Hoy día
se piensa que este proceso se inicia du-
rante la embriogénesis, a partir de célu-
las mesodérmicas capaces de generar
tanto hematopoyesis como células endo-
teliales:
hemangioblastos
. La primera lo-
calización es extraembrionaria, en los is-
lotes hemáticos del saco vitelino. La he-
matopoyesis en este momento se carac-
teriza por restringirse a la producción de
células eritroides nucleadas, con hemo-
globina embrionaria. Posteriormente, la
hematopoyesis tendrá una localización
definitiva intraembrionaria, primero en la
esplacnopleura paraaórtica y luego en
la región denominada AGM (
Aortic-Go-
nadal-Mesonephros
). Después de desa-
rrollarse la circulación sanguínea, es el hí-
gado fetal el principal órgano hematopo-
yético, para trasladarse definitivamente a
la médula ósea (MO) y tejidos linfáticos
periféricos.
Células hematopoyéticas
En el sistema hematopoyético se re-
conocen diversos tipos celulares, que po-
demos agrupar en:
células madre
,
cé-
lulas progenitoras
y
células maduras
(Fig. 2). El inicio del proceso de diferen-
ciación hematopoyética se encuentra en
377
Fisiología de la hematopoyesis
El sistema hematopoyético está compuesto por diferentes tipos celulares que derivan de la
diferenciación y expansión de progenitores inmaduros. Su funcionamiento correcto asegura la
producción de las células responsables del transporte de oxígeno, la coagulación sanguínea y
la inmunidad. Se organiza como una jerarquía en la que las relaciones entre los diferentes tipos
celulares se basan en la capacidad de proliferación y de diferenciación celular. El
funcionamiento normal de la hematopoyesis resulta de la interacción entre mecanismos
intracelulares y la influencia del microambiente donde se desarrollan las células
hematopoyéticas.
Hematopoyesis; Fenotipo; Ensayos funcionales; Proliferación; Diferenciación.
PHYSIOLOGY OF HEMATOPOIESIS
Hematopoietic cells derive from the selfrenewal and differentiation of immature progenitors. The
hematopoietic system provides the cells responsible for the oxigen exchange in the body
tissues, blood clotting and immune defense. This system is organized as a hierarchy of different
cells with different proliferative and differentiative capacities. Microenviroment cues as well as
intracellular genetic programms govern the physiology of the hematopoietic system.
Hematopoiesis; Phenotype; Functional assays; Proliferation; Differentiacion.
M. Ramírez Orellana
1
, A.M. Cornejo Gutiérrez
2
1
Oncología Pediátrica. Hospital Niño Jesús.
2
Equipo de Atención Primaria de Ocaña
Resumen
Palabras clave
Abstract
Key words
Pediatr Integral 2004;VIII(5):377-382.
El sistema hematopoyético está com-
puesto por diferentes tipo celulares: cé-
lulas madre, progenitores y células ma-
duras. Su localización anatómica cam-
bia a lo largo del desarrollo embrionario.
el compartimento de células madre o cé-
lulas troncales hematopoyéticas (
stem
cells
). Este grupo de células es el res-
ponsable de la generación continua y de
por vida de todas las demás células he-
máticas. Son las células con la máxima
capacidad de autorrenovación y diferen-
ciación, características que se van per-
diendo conforme las células hematopo-
yéticas se diferencian en elementos más
maduros. Las células madre hematopo-
yéticas son las únicas capaces de re-
generar el sistema hematopoyético del
receptor de un trasplante. Los estadios
intermedios de desarrollo celular entre las
células madre y las células hematopoyé-
ticas maduras están constituidos por cé-
lulas que han sufrido restricciones en la
capacidad de diferenciación, pero to-
davía no han adquirido los cambios mor-
fológicos típicos de las células hemáticas
maduras; son los progenitores compro-
metidos. Las células más maduras de los
diferentes linajes mieloides (eritrocitos,
polimorfonucleares, monocitos y mega-
cariocitos) se reconocen fácilmente gra-
cias a sus características morfológicas.
Suponen el estadio final en el proceso de
maduración hematopoyética y constitu-
yen la mayoría de las células presentes
en los sitios de hematopoyesis fisiológi-
ca, por lo que son las células monitoriza-
das en los diferentes procesos fisiopato-
lógicos de la práctica médica. Son, ade-
más, las células diana de los diferentes
mecanismos de control que afinan los
cambios en su viabilidad, expansión y di-
ferenciación, así como de la liberación fi-
nal de las células maduras a la circula-
ción sanguínea. Tanto las células madre
como los progenitores y las células ma-
duras se encuentran en la MO, en la SP
y también en la sangre del cordón um-
bilical del recién nacido.
El proceso de diferenciación hemato-
poyética se describe como una jerarquía
de células progenitoras, en la que cada
estadio sucesivo se distingue del siguiente
por un fenotipo característico, así como
por el número y tipo(s) de células hijas
maduras que son capaces de generar.
Esta organización no se puede visuali-
zar
in vivo
directamente, en parte por la
movilidad de los progenitores dentro de
la MO y en parte porque muchos cambios
tempranos e irreversibles en la expresión
génica suceden antes de que se expre-
sen como cambios en la morfología celu-
lar. Por este motivo, todas las células he-
matopoyéticas inmaduras se clasifican
morfológicamente de manera indiscrimi-
nada como células blásticas: células de
tamaño pequeño, redondas, con núcleo
grande y citoplasma escaso. Las relacio-
nes entre progenitores y su progenie, que
definen el inicio de la diferenciación irre-
versible de dichos progenitores hacia un
linaje hematopoyético concreto, no pue-
den ser estudiadas por criterios morfoló-
gicos sino por otro tipo de análisis, fun-
damentalmente por marcadores de la
membrana plasmática (inmunofenotipo) y
por ensayos funcionales (cultivos
in vitro
,
modelos animales):
•
Inmunofenotipo:
los elementos celu-
lares diferentes del sistema hemato-
poyético presentan un perfil de ex-
presión de marcadores de superfi-
cie que permite distinguirlos unos de
otros mediante citometría de flujo (Fig.
3). Además, basándose en dichas mo-
léculas de superficie se pueden puri-
ficar poblaciones de progenitores he-
matopoyéticos para su uso en tras-
plantes hematopoyéticos o para en-
sayos funcionales. Existen muchas
moléculas que determinan el inmu-
nofenotipo de los progenitores, algu-
nos de los cuales están recogidos en
la figura 3. Así, las células madre he-
matopoyéticas del ratón se definen
como células que expresan la molé-
cula
Sca1
, altos niveles del receptor
c-kit
, bajos niveles del antígeno
Thy
y no expresan antígenos de los dife-
rentes linajes maduros. Son células
Sca1
+
c-kit
hi
Thy
lo
Lin
-
. La expresión del
receptor de interleuquina 7 (
IL7R
) y
del receptor de trombopoyetina (
TpoR
)
ayudan a identificar progenitores que
exclusivamente generan células mie-
loides o células linfoides. De la misma
manera, la expresión o no de otras mo-
léculas distingue a progenitores dife-
rentes durante la maduración y dife-
renciación hematopoyéticas (Fig. 3).
También, existen marcadores aso-
ciados clásicamente a células hemá-
ticas maduras: CD41 en plaquetas,
glicoforina en eritrocitos, CD15 en gra-
nulocitos, CD14 en monocitos, CD19
en linfocitos B, CD3 en linfocitos T o
CD56 en células NK.
•
Ensayos funcionales:
estudian las dos
características principales que distin-
378
Células
madre
linfoides
Células
madre
Células
madre
mieloides
CFU-GEMMM
CFU-Meg BFU-E
CFU-GM
CFU-Eo CFU-Ba CFU-Mast
CFU-E CFU-G CFU-M
Plaquetas Neutrófilos
Eritrocitos
Monocitos
Eosinófilos
Basófilos
Mastocitos
Plasmáticas
T
NK
B
Pre-T
Pre-B
Pro-B
Pro-T
FIGURA 1.
Células del
sistema
hematopoyético
Sistema hematopoyético
+ Maduración
– Expansión
Células
madre
Progenitores
comprometidos
Células
maduras
FIGURA 2.
Representación
esquemática del
sistema
hematopoyético
La figura recoge las diferentes subpoblaciones hematopoyéticas y las relaciones que
mantienen entre ellas.
guen a los diversos tipos de progeni-
tores hematopoyéticos: el potencial
proliferativo (número total de células
hijas) y los linajes hematopoyéticos di-
ferentes (tipos distintos de células hi-
jas) que puede generar un determi-
nado tipo de progenitor (Fig. 4). Más
adelante, detallaremos los ensayos
más utilizados, tanto
in vitro
como
in
vivo
. Un tipo especial de ensayo
in vi-
vo
que no explicaremos aquí es la ge-
neración de animales que bien so-
breexpresan (animales transgénicos)
o bien no expresan (animales
knock-
out
) un determinado ácido ribonucléico
mensajero (ARN-m) y, por tanto, su
proteína correspondiente. Estos ani-
males sirven para estudiar la signifi-
cación fisiológica de moléculas impli-
cadas en la hematopoyesis.
El desarrollo de las células linfoides
es diferente al de las células mieloides en
muchos aspectos. Por ejemplo, los cam-
bios morfológicos no son tan pronuncia-
dos, al menos hasta el momento en el que
alcanzan la capacidad de responder a es-
tímulos antigénicos. Además, los prime-
ros estadios de diferenciación linfoide
se acompañan de producción y destruc-
ción de una enorme cantidad de célu-
las. Hasta la fecha, no se han consegui-
do desarrollar condiciones de cultivo
in vi-
tro
para progenitores linfoides, lo que ha
impedido realizar estudios comparables
a los desarrollados para los progenito-
res mieloides.
ENSAYOS FUNCIONALES PARA
PROGENITORES
HEMATOPOYÉTICOS
Mucho de lo que hoy día conocemos
sobre la hematopoyesis fisiológica y sus
mecanismos de regulación proviene de
estudios cuantitativos de poblaciones
de células madre y progenitores compro-
metidos, definidos por su comportamien-
to en ensayos
in vitro
e
in vivo
. Los ensa-
yos funcionales parten de una población
hematopoyética y detectan una actividad
concreta en las células estudiadas al fi-
nalizar dicho ensayo. Requieren someter
a las células a unas condiciones en las
que se puedan determinar tanto el po-
tencial de diferenciación (número de li-
najes hematopoyéticos representados en-
tre las células hijas), como el potencial de
proliferación (número total de células hi-
jas producidas). Los ensayos que cum-
plen estos criterios y que permiten la eva-
luación de la actividad de células hema-
topoyéticas individuales, facilitan la cuan-
tificación de la frecuencia de progenito-
res en una población determinada. De es-
ta forma, se pueden estudiar también cam-
bios cualitativos y cuantitativos en los pro-
genitores.
El estudio de la hematopoyesis hu-
mana se ha beneficiado de los modelos y
ensayos aplicados a la hematopoyesis
murina. Aunque no todos los ensayos fun-
cionales en ratones son aplicables a la he-
matopoyesis humana, comentaremos los
más importantes por ser los que se en-
cuentran más frecuentemente en la lite-
ratura.
Células madre
CFU-S
El primer ensayo desarrollado para
cuantificar la capacidad de proliferación
y de diferenciación de células hematopo-
yéticas fue denominado unidad formado-
ra de colonias esplénicas (CFU-S,
colony
forming unit-spleen
). Este ensayo detec-
ta una subpoblación de progenitores que,
11-12 días después de ser trasplantadas
a ratones irradiados letalmente, son ca-
paces de originar colonias de células he-
matopoyéticas en el bazo de los recepto-
res. Las colonias esplénicas son visibles
macroscópicamente y dan lugar a célu-
las hematopoyéticas de diferentes linajes.
Más aún, si se aíslan y se trasplantan a ra-
tones, algunas son capaces de generar
nuevas colonias esplénicas en los recep-
tores secundarios. Por lo tanto, las CFU-
S definen a una célula capaz de autorre-
novarse y de diferenciarse en distintos
linajes hematopoyéticos, características
ambas de una célula pluripotente. Estu-
dios posteriores han descubierto que las
CFU-S nos son una población homogé-
nea, sino que engloban a progenitores con
propiedades fenotípicas y biológicas dis-
tintas.
379
Células
madre
linfoides
Células
madre
Células
madre
mieloides
CFU-Meg
BFU-E
CFU-GM
CFU-G
CFU-E
Plaquetas
Neutrófilos
Eritrocitos
Monocitos
Célula
NK
Pro-B
Pro-T
CD41
GlyA
CD15
CD14
CFU-M
CD34
+
FC
γ
R
hi
EpoR
-
Linfocitos B
CD19
Linfocitos T
CD3
CD56
Sca1
lo
ckit
lo
Thy
-
Lin
-
IL7R
+
TpoR
-
Sca1
+
ckit
hi
Thy
lo
Lin
-
Sca1
lo
ckit
+
Thy
-
Lin
-
IL7R
-
TpoR
+
CFU-GEMMM
CD34
+
FC
γ
R
lo
EpoR
+
FIGURA 3.
Inmunofenotipo
de las células
hematopoyéticas
Sistema hematopoyético
células progenitoras
CRUs
CFU-S
LTC-ICs
CFU-GEMM
CFU-GM, BFU-E
CFU-G, CFU-M,
CFU-E, CFU-Meg
Células
madre
Progenitores
comprometidos
Células
maduras
FIGURA 4.
Ensayos
funcionales
hematopoyéticos
Las diferentes subpoblaciones hematopoyéticas se distinguen por el perfil de
moléculas que expresan en su membrana plasmática. La figura recoge algunos de los
inmunofenotipos mejor caracterizados, que aparecen encuadrados.
La figura representa la localización de
los diferentes progenitores en el sistema
hematopoyético. Cada progenitor se
identifica por un ensayo funcional (ver
texto).
Las capacidades de proliferación y
maduración de los diferentes tipos de
células hematopoyéticas sólo se pueden
estudiar mediante ensayos funcionales.
CRU
La unidad de repoblación competitiva
(CRU,
competitive repopulation unit
) se re-
fiere a una célula que produce un núme-
ro estable y continuado (por más de 4 me-
ses) de células mieloides y linfoides, tras
ser trasplantada a un ratón receptor. Es-
te ensayo requiere unas condiciones es-
peciales y complejas. De un lado, el tras-
plante se hace a dilución límite, para que
exista la posibilidad de examinar la activi-
dad de células individuales. De otro la-
do, la CRU compite con otras células he-
matopoyéticas en el proceso de regene-
ración postrasplante. Esto hace impres-
cindible que dicha CRU y su progenie se-
an distinguibles, normalmente por marca-
dores de membrana. Por último, la dura-
ción del ensayo es larga, más de 4 meses.
Sin embargo, las características tan exi-
gentes del ensayo han servido para ca-
racterizar muchos aspectos biológicos de
las células troncales hematopoyéticas.
El ensayo de CRU se desarrolló pri-
mero en estudios de hematopoyesis mu-
rina. Recientemente, han aparecido ani-
males inmunodeficientes en los que se ha
conseguido trasplantar y desarrollar he-
matopoyesis humana. Esto ha hecho que
se haya intentado desarrollar ensayos pa-
ra caracterizar cualitativa y cuantitativa-
mente las células madre hematopoyéticas
humanas. Aunque han resultado de utili-
dad, hay que tener presente que estos en-
sayos de hematopoyesis humana en ani-
males inmunodeficientes no deben ser
considerados como ensayos funciona-
les de las células madre humanas. El úni-
co “ensayo” de este tipo sería el trasplante
alogénico en humanos.
LTC-IC
Este ensayo es defendido por algunos
como un ensayo para células madre, aun-
que no existe acuerdo al respecto. Identi-
fica una célula capaz de generar proge-
nitores mieloides al cabo de 5 semanas de
cultivo sobre un estroma de MO. Sus siglas
corresponden a una célula iniciadora de
cultivo a largo plazo (
long term culture-
initiating cell
). Experimentos con retrovirus
han demostrado que las LTC-ICs no son
capaces de generar hematopoyesis hu-
mana en ratones inmunodeficientes, lo que
pone en cuestión su validez como ensa-
yo para células madre hematopoyética.
Progenitores comprometidos
CFU
Las unidades formadoras de colonias
hematopoyéticas (
colony forming units
)
identifican a progenitores hematopoyéticos
comprometidos con algún linaje mieloide
conocido. En estos ensayos se cultiva una
población de células hematopoyéticas en
un medio semisólido (metilcelulosa nor-
malmente) que contiene diferentes facto-
res de crecimiento hematopoyéticos. La
actividad hematopoyética de los progeni-
tores se identifica por el crecimiento de co-
lonias de células tras 2 semanas en culti-
vo. El tipo de colonia identifica al tipo de
progenitor. Así, se identifican progenitores
granulocítico-macrofágicos (CFU-GM), gra-
nulocíticos (CFU-G), eritrocíticos (BFU-E
más inmaduro, y CFU-E más maduro), me-
gacariocíticos (CFU-Meg), y mixtos (CFU-
GEMM). Los ensayos de colonias han ser-
vido para estudiar los tipos y concentra-
ciones de factores de crecimiento que man-
tienen, estimulan, aumentan o bloquean la
proliferación y diferenciación de los dife-
rentes progenitores hematopoyéticos.
FUNCIONAMIENTO
DE LA HEMATOPOYESIS
Mecanismos intrínsecos
versus
extrínsecos
Los mecanismos intrínsecos se re-
fieren a los cambios que acontecen en la
célula hematopoyética y dirigen su com-
portamiento. Se han distinguido siempre
cambios reversibles (aquellos que tienen
que ver con la proliferación celular) de los
irreversibles (los que se asocian a dife-
renciación o a muerte celular).
Los mecanismos moleculares que re-
gulan la viabilidad y la progresión en el ci-
clo celular están conservados a lo largo
de la evolución. No son diferentes en las
células hematopoyéticas en comparación
con otras células del organismo. Estudios
en este sentido han explorado sobre todo
el papel de factores extrínsecos en la ac-
tivación de estos fenómenos biológicos,
además de las vías de señalización de la
señal extracelular hacia el núcleo.
Los procesos moleculares que regu-
lan los cambios progresivos e irreversi-
bles en la expresión génica que resulta
en la diferenciación de las células he-
matopoyéticas, se asocian a mediadores
intracelulares específicos y también ge-
néricos. Entre los genes más característi-
cos de estos procesos se hallan los fac-
tores de transcripción expresados sólo en
células hematopoyéticas, e incluso a ve-
ces sólo en algún linaje hematopoyético:
SCL/TAL-1, GATA-1, GATA-2, PU-1. Otros
genes codifican moléculas que no son es-
pecíficas del sistema hematopoyético, pe-
ro que son específicos en un estadio de
desarrollo concreto. Un ejemplo lo cons-
tituyen la familia de los genes
HOX
. Ade-
más, se han descrito cambios en la ex-
presión de genes de las moléculas de su-
perficie, de moléculas de adhesión y de
mediadores intracitoplasmáticos, duran-
te los cambios asociados a la diferen-
ciación hematopoyética. Los estudios de
sobreexpresión o de inhibición de genes
han descubierto tanto un papel esencial
en algunos genes como un papel redun-
dante de otros, además de funciones no
hematopoyéticas en diferentes estadios
del desarrollo embrionario.
Mecanismos locales
versus
sistémicos
Aunque los ensayos
in vitro
han per-
mitido estudiar la respuesta de las célu-
las hematopoyéticas a factores de creci-
miento definidos, la viabilidad, prolifera-
ción, diferenciación y apoptosis
in vivo
de-
be estar regulada por cambios en el am-
biente local que rodea a las células pro-
genitoras. Dichos cambios incluyen el con-
tacto directo de los progenitores y las cé-
lulas del estroma, y cambios en factores
de crecimiento hematopoyéticos solubles
y unidos a la matriz extracelular. Existen
numerosos ejemplos del papel regulador
de tales contactos. Por ejemplo, la inte-
racción de las CFUs con las células del
estroma se hace por medio del factor de
células madre (SCF,
stem cell factor
), ex-
presado como molécula unida a la mem-
brana de células estromales. Menos co-
nocido es el papel que puedan jugar mo-
léculas que se internalizan en la célula.
Los cultivos de MO a largo plazo re-
producen algunas de las características lo-
cales de la hematopoyesis. El estroma ce-
380
El funcionamiento normal de la he-
matopoyesis resulta de la interacción en-
tre mecanismos intracelulares y la in-
fluencia del microambiente donde se de-
sarrollan las células hematopoyéticas.
lular que se genera contiene diversos tipos
celulares: macrófagos, adipocitos, fibro-
blastos, células endoteliales y reticulares.
Además, contiene matriz extracelular, for-
mada por fibronectina, hemonectina, trom-
bospodina, colágeno, laminina y glicosa-
minoglicanos. La interacción entre los pro-
genitores y el estroma es un proceso muy
complejo. Estas interacciones adhesivas,
junto con la acción de las citoquinas pre-
sentes en el microambiente medular pro-
moviendo o inhibiendo el crecimiento de
los elementos celulares, inducen la quies-
cencia o la proliferación y diferenciación
de los progenitores hematopoyéticos pri-
mitivos y resultan en la progresión orde-
nada del sistema hematopoyético.
Pero no toda la regulación
in vivo
es
local. La eritropoietina es una molécula cir-
culante prototipo de un mecanismo de con-
trol por retroalimentación. Cambios men-
surables en los niveles circulantes de otros
factores hematopoyéticos pueden ser de-
tectados en una gran variedad de enfer-
medades y alteraciones del sistema he-
matopoyético. Asimismo, la administración
de dosis farmacológicas de algunos fac-
tores de crecimiento produce efectos im-
portantes en el número de células hemá-
ticas circulantes y la salida desde la MO
a la SP de progenitores muy inmaduros
(movilización de progenitores a la SP). Es-
te proceso resulta clínicamente útil porque
permite recoger dichos progenitores me-
diante leucoaféresis, lo que ha permitido
la realización de trasplantes hematopoyé-
ticos en humanos sin necesidad de reali-
zar la recogida de MO.
BIBLIOGRAFÍA
Los asteriscos reflejan el interés del artículo a
juicio del autor.
1.** Baron MH. Embryonic origins of mam-
malian hematopoiesis.
Exp Hematol
2003;
31
: 1160-9.
Es un resumen actualizado de los conocimientos
existentes sobre las primeras fases del desa-
rrollo del sistema hematopoyético.
2.*** Akashi K, Traver D, Miyamoto T, Weiss-
man IL. A clonogenic common myeloid
progenitor that gives rise to all myeloid
lineages.
Nature
2000;
404
: 193-7.
3.*** Kondo M, Weissman IL, Akashi K. Iden-
tification of clonogenic common lymp-
hoid progenitors in mouse bone marrow.
Cell
1997;
91
: 661-72.
Estos dos trabajos son muy buenos ejemplos
del uso de técnicas de citometría y ensayos
funcionales que han permitido la identificación
fenotípica y funcional de poblaciones de pro-
genitores exclusivamente mieloides y linfoides.
4.** Ramírez M, Civin CI. Fisiología de la he-
matopoyesis. En: Madero L, Muñoz A,
editores. Hematología y Oncología Pe-
diátricas. Madrid: Ergon S.A.; 1997. p.
1-19.
Este capítulo amplía la información reflejada en
el presente artículo, sobre todo en lo referen-
te a factores de crecimiento hematopoyéticos
y subpoblaciones celulares.
381