Aprende cómo se comunican las células entre sí al utilizar distintos tipos de señales de corto y largo alcance en nuestros cuerpos.

Introducción

¿Crees que tus células son solo componentes básicos, tan estáticas e inconscientes como los ladrillos de una pared? Si es así, ¡piénsalo de nuevo! Las células pueden detectar lo que pasa a su alrededor y responder en tiempo real a las señales que provienen del medio ambiente y de sus vecinas. En este preciso momento, tus células envían y reciben millones de mensajes en forma de moléculas señalizadoras.
En este artículo, estudiaremos los principios básicos de la comunicación entre células. Primero veremos cómo funciona la señalización intercelular, luego consideraremos las diferentes formas de señalización de corta y larga distancia que ocurren en nuestros cuerpos.

Resumen de la señalización celular

Las células generalmente se comunican entre sí mediante señales químicas. Estas señales químicas, que son proteínas u otras moléculas producidas por una célula emisora, con frecuencia son secretadas por la célula y liberadas en el espacio extracelular. Ahí pueden flotar, hacia las células vecinas, como mensajes en una botella.
Célula emisora: está célula secreta un ligando.
Célula diana: esta célula tiene el receptor que puede unirse al ligando. El ligando se une al receptor y desencadena una cascada de señales dentro de la célula que finalmente generan una respuesta.
Célula no diana: esta célula no tiene los receptores para el ligando específico (aunque puede tener receptores de otros tipos). No percibe al ligando y por lo tanto no genera una respuesta.
No todas las células pueden "oír" un mensaje químico específico. Para detectar una señal (esto es, para ser una célula diana), la célula debe tener el receptor adecuado para esa señal. Cuando una molécula señalizadora se une a su receptor, altera la forma o actividad del receptor, lo que desencadena un cambio dentro de la célula. Debido a que funcionan uniéndose a receptores específicos, estas moléculas señalizadoras se conocen como ligandos, un término general para las moléculas que se unen de manera específica a otras moléculas.
El mensaje que lleva el ligando con frecuencia pasa a través de una cadena de mensajeros químicos dentro de la célula y conduce finalmente a un cambio en la misma, como una modificación en la actividad de un gen o incluso la inducción de todo un proceso como la división celular. Así, la señal intercelular (entre células) se convierte en una señal intracelular (dentro de la célula) que dispara una respuesta.
Puedes aprender más acerca de cómo funcionan estos procesos en los artículos sobre ligandos y receptores, transmisión de señales, y respuesta celular.

Formas de señalización

La señalización intercelular implica la transmisión de una señal de una célula emisora a una receptora. Sin embargo, no todas células emisoras y receptoras son vecinas cercanas ni todos los pares de células que intercambian señales lo hacen del mismo modo.
Existen cuatro categorías básicas de señalización química en los organismos multicelulares: señalización paracrina, autocrina, endocrina y por contacto directo. La principal diferencia entre las distintas categorías es la distancia que viaja la señal a través del organismo para alcanzar a su célula diana.

Señalización paracrina

Con frecuencia, las células que están cerca unas de otras se comunican mediante la liberación de mensajeros químicos (ligandos que pueden difundirse a través del espacio entre las células). Este tipo de señalización, en el que las células se comunican a corta distancia se conoce como señalización paracrina.
La señalización paracrina le permite a las células coordinar sus actividades de manera local con sus vecinas. Aunque se usan en muchos contextos y tejidos, las señales paracrinas son especialmente importantes durante el desarrollo, cuando permiten que un un grupo de células le diga a un conjunto vecino qué identidad celular debe adoptar.

Sonic hedgehog y los morfógenos

La médula espinal en desarrollo de un embrión tiene un tubo hueco de células que se extiende a lo largo de la parte dorsal del embrión, llamado notocorda, y una columna de células paralela a esta, llamada placa del piso. En conjunto, la notocorda y la placa del piso liberan una molécula señalizadora llamada Sonic hedgehog (Shh).
A medida que Shh se difunde lejos de la notocorda y la placa del piso, forma un gradiente con niveles altos en el punto de origen y niveles cada vez más bajos al alejarse de este. Las distintas concentraciones de Shh en los diferentes puntos del gradiente ayudan a indicarle a las células cercanas en qué tipo de neurona deben convertirse1,2^{1,2}.
Corte transversal de la médula espinal en desarrollo que muestra la distribución de Shh y la especificación de diferentes tipos de neurona, A medida que Shh se difunde y se aleja de la notocorda y la placa del piso, forma un gradiente con niveles altos en el punto de origen y niveles cada vez más bajos al alejarse de este. Las distintas concentraciones de Shh en los diferentes puntos del gradiente ayudan a indicarle a las células cercanas en qué tipo de neurona deben convertirse.
  • Las células cercanas a la notocorda y la placa del piso reciben dosis altas de la señal y se convierten en un tipo específico de neurona conectora (interneurona).
  • Las células que se encuentran un poco más lejos reciben una dosis menor de la señal y se convierten en neuronas motoras (neuronas que se conectan con los músculos).
  • Las células que se encuentran aún más lejos de la notocorda y la placa del piso reciben dosis cada vez menores de la señal y se convierten en otros tipos de interneuronas.
  • Las células cercanas a la notocorda y la placa del piso reciben dosis altas de la señal y se convierten en un tipo específico de neurona conectora (interneurona).
  • Las células que se encuentran un poco más lejos reciben una dosis menor de la señal y se convierten en neuronas motoras (neuronas que se conectan con los músculos).
  • Las células que se encuentran aún más lejos de la notocorda y la placa del piso reciben dosis cada vez menores de la señal y se convierten en otros tipos de interneuronas.
Los distintos niveles de la señal Shh disparan respuestas diferentes en las células, y hacen que tomen identidades y características distintas. Las señales como Shh, que forman gradientes y producen diferentes efectos en el desarrollo según la dosis de la señal, se conocen como morfógenos.
La especificación de los diferentes tipos de neuronas en la médula espinal también depende de otras vías de señalización distintas a Shh, así como al momento en el que se producen las señales. Hemos simplificado la discusión para resaltar la función de Shh como morfógeno.

¿Por qué se llama Sonic hedgehog?

Como puedes adivinar, la molécula señalizadora se llama así por el personaje del videojuego de Sega del mismo nombre3^3. El primer gen similar a Sonic hedgehog se descubrió en las moscas de la fruta y aquellas que no tenían activo este gen presentaban una apariencia espinosa, por lo que se le dio el nombre de hedgehog (erizo). Cuando se descubrió un gen semejante en los vertebrados, se le dio un nombre relacionado: Sonic hedgehog4^4. El investigador que lo nombró en realidad nunca jugó el juego, sino que tomó el nombre de Sonic de un libro de historietas que pertenecía a su hija5^{5}.

Señalización sináptica

Un ejemplo único de señalización parácrina es la señalización sináptica, mediante la cual las células nerviosas transmiten señales. Este proceso se llama así debido a la sinapsis, la unión entre dos neuronas donde ocurre la transmisión de señales.
Cuando la neurona emisora dispara, un impulso eléctrico se mueve rápidamente a través de la célula, a lo largo de una extensión similar a una fibra llamada axón. Cuando el impulso llega a la sinapsis, provoca la liberación de ligandos conocidos como neurotransmisores, los cuales cruzan con rapidez la pequeña brecha que hay entre las neuronas. Cuando los neurotransmisores llegan a la célula receptora, se unen a receptores y producen una cambio químico dentro de ella (con frecuencia, la apertura de los canales iónicos y el cambio en el potencial eléctrico a lo largo de la membrana).
Señalización sináptica. El neurotransmisor es liberado de las vesículas que se encuentran en la parte terminal del axón de la neurona emisora, se difunde a través de la pequeña brecha entre las neuronas emisora y receptora y se une a los receptores de la neurona receptora.
Imagen modificada de "Moléculas señalizadoras y receptores celulares: Figura 2", de OpenStax College, Biología (CC BY 3.0)
Los neurotransmisores liberados en la sinapsis química son degradados rápidamente o reabsorbidos por la célula emisora, lo que "reinicia" el sistema de forma que la sinapsis esté preparada para responder con rapidez a la siguiente señal.
Señalización paracrina: una célula envía un mensaje a otra célula cercana (con la que no tiene contacto directo por uniones en hendidura). La imagen muestra una molécula señalizadora producida por una célula y que viaja una corta distancia hacia una célula vecina.
Señalización autocrina: la célula se envía a sí misma un mensaje cuando manda una señal que puede unirse a los receptores de su propia superficie celular.
Imagen modificada de "Señales moleculares y receptores celulares: Figura 1", de OpenStax College, Biología (CC BY 3.0)

Señalización autocrina

En la señalización autocrina una célula se manda señales a sí misma, al liberar un ligando que se une a un receptor en su propia superficie (o, según del tipo de señal, a receptores dentro de la célula). Esto puede parecer algo extraño para una célula, pero la señalización autocrina juega un papel importante en muchos procesos.
Por ejemplo, la señalización autocrina es importante durante el desarrollo, ya que ayuda a que las células tomen y refuercen su identidad correcta. Desde un punto de vista médico, la señalización autocrina es importante en el cáncer y se piensa que tiene una función esencial en la metástasis (la diseminación del cáncer desde su sitio de origen hacia otras partes del cuerpo)6^6. En muchos casos, una señal puede tener tanto efectos autocrinos como paracrinos, al unirse a la propia célula emisora y a otras células semejantes en el área.

Señalización endocrina

Cuando las células necesitan transmitir señales a través de largas distancias, a menudo usan el sistema circulatorio como red de distribución para los mensajes que envían. En la señalización endocrina a larga distancia, las señales son producidas por células especializadas y liberadas en el torrente sanguíneo, que las lleva hasta sus células diana en partes distantes del cuerpo. Las señales que se producen en una parte del cuerpo y viajan por medio de la circulación hasta alcanzar objetivos lejanos se llaman hormonas.
En los humanos, las glándulas endocrinas que liberan hormonas incluyen a la tiroides, el hipotálamo y la pituitaria, así como las gónadas (testículos y ovarios) y el páncreas. Cada glándula endocrina libera uno o más tipos de hormonas, muchos de los cuales son reguladores maestros del desarrollo y la fisiología.
Por ejemplo, la glándula pituitaria libera hormona del crecimiento (GH), la cual promueve el crecimiento, especialmente del esqueleto y el cartílago. Como la mayoría de las hormonas, la GH afecta muchos tipos diferentes de células en el cuerpo. Sin embargo, las células del cartílago proporcionan un ejemplo de cómo funciona la GH: se une a receptores en la superficie de estas células y las impulsa a dividirse7^7.
Señalización endocrina: una célula envía un mensaje a una célula lejana por medio del torrente sanguíneo. La célula emisora secreta una molécula señalizadora, la cual viaja por el torrente sanguíneo y se une a los receptores de la célula diana que se encuentra lejos, en alguna otra parte del cuerpo.
Imagen modificada de "Moléculas señalizadoras y receptores celulares: Figura 2", de OpenStax College, Biología (CC BY 3.0)
Las plantas no tienen células o glándulas endocrinas, pero tienen moléculas señalizadoras que regulan el crecimiento y viajan a través del cuerpo de la planta hasta células distantes. A menudo se las llama hormonas vegetales8^8.

Señalización por contacto directo entre células

Las uniones en hendidura en animales y los plasmodesmos en plantas son canales pequeños que interconectan células vecinas de manera directa. Estos canales llenos de agua permiten que las pequeñas moléculas señalizadoras, llamadas mediadores intracelulares se difundan entre dos células. Las moléculas pequeñas, como los iones calcio (Ca2+\text{Ca}^{2+}), pueden moverse entre las células, pero las moléculas grandes, como las proteínas y el ADN, no pueden pasar a través de los canales sin ayuda especial.
La transferencia de moléculas señalizadoras comunica el estado actual de una célula a sus vecinas. Esto permite que un grupo de células coordine su respuesta a una señal que solo fue recibida por una de ellas. En las plantas, hay plasmodesmos entre casi todas las células, lo que convierte a la planta en una red gigantesca.
La señalización por medio de uniones en hendidura. Una célula envía una señal a una célula vecina conectada por medio de uniones en hendidura. Las señales viajan de una célula a otra atravesando las uniones en hendidura.
Imagen modificada de "Señales moleculares y receptores celulares: Figura 1", de OpenStax College, Biología (CC BY 3.0)
En otra forma de señalización directa, dos células se pueden unir entre ellas porque tienen proteínas complementarias en sus superficies. Cuando las células se unen, la interacción cambia la forma de una o de ambas proteínas, lo que transmite una señal. Este tipo de señalización es especialmente importante en el sistema inmunitario, en el que las células inmunitarias usan marcadores de superficie celular para reconocer a las células "propias" (las células que pertenecen al cuerpo) y a las infectadas por patógenos9^{9}.
_Imagen modificada de "Respuesta inmunitaria adaptativa: Figura 7", de OpenStax College, Biología (CC BY 3.0)._

Créditos:

Este artículo es un derivado modificado de "Signaling molecules and cellular receptors (Moléculas señalizadoras y receptores celulares)", escrito de OpenStax College, Biología (CC BY 3.0). Descarga gratis el artículo original en http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@9.85.
El artículo modificado está autorizado bajo una licencia CC BY-NC-SA 4.0.

Referencias citadas:

  1. Jessell, T. M. (2000). Neuronal specification in the spinal cord: Inductive signals and transcriptional codes (Especificación neuronal en la médula espinal: señales inductoras y códigos transcripcionales). Nature Reviews Genetics, 1(1), 20-29. http://dx.doi.org/10.1038/35049541. Tomado de http://cumc.columbia.edu/dept/neurobeh/jessell/Publications/2000PDF/jessell.pdf.
  2. Horne, J. (1 de julio, 2004). Sonic hedgehog, the morphogen (Sonic hedgehog, el morfógeno). En Nature milestones: Development. http://dx.doi.org/10.1038/nrn1469.
  3. Riddle, R. D., Johnson, R. L., Laufer, E., y Tabin, C. (1993). Sonic hedgehog mediates the polarizing activity of the ZPA (Sonic hedgehog media la actividad polarizante de la ZPA). Cell, 75, 1401-1416. http://dx.doi.org/10.1016/0092-8674(93)90626-2.
  4. Gilbert, S. F. (2000). The Hedgehog family (La familia Hedgehog). En Developmental biology (6th ed.). Tomado de http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK10071/#_A1042_.
  5. Misra, Ria. (15 de marzo, 2015). The strange history of how a gene was named "Sonic hedgehog." (La extraña historia de cómo un gen fue nombrado "Sonic hedgehog"). En io9. Tomado de http://io9.gizmodo.com/the-strange-history-of-how-a-gene-was-named-sonic-hedg-1691732678.
  6. Autocrine signalling (Señalización autocrina). (30 de diciembre, 2014). Tomado de Wikipedia el 1 de noviembre, 2015: https://en.wikipedia.org/wiki/Autocrine_signalling.
  7. Growth hormone (Hormona del crecimiento). (22 de julio, 2016). Tomado de Wikipedia el 23 de julio, 2016: https://en.wikipedia.org/wiki/Growth_hormone#Function.
  8. Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., y Jackson, R. B. (2011). Cell communication (Comunicación celular). En Campbell biology (10th ed.). San Francisco, CA: Pearson, 212.
  9. OpenStax College, Biology. (29 de septiembre, 2015). Adaptive Immune response (Respuesta inmunológica adaptativa). En OpenStax CNX. Tomado de http://cnx.org/contents/GFy_h8cu@9.87:etZobsU-@6/Adaptive-Immune-Response.

Referencias:

Autocrine signalling (Señalización autocrina). (30 de diciembre, 2014). Tomado de Wikipedia el 1 de noviembre, 2015: https://en.wikipedia.org/wiki/Autocrine_signalling.
Growth hormone (Hormona del crecimiento). (22 de julio, 2016). Tomado de Wikkipedia el 23 de julio, 2016: https://en.wikipedia.org/wiki/Growth_hormone.
Mehlen, P., Mille, F., y Thibert, C. (2005). Morphogens and cell survival during development (Los morfógenos y la supervivencia celular durante el desarrollo). Journal of Neurobiology, 64(4), 357-366. http://dx.doi.org/10.1002/neu.20167.
Morphogen (Morfógeno). (24 de agosto, 2015). Tomado de Wikipedia el 1 de noviembre, 2015: https://en.wikipedia.org/wiki/Morphogen.
OpenStax College, Biology. (29 de septiembre, 2015). Adaptive Immune response (Respuesta inmunológica adaptativa). En OpenStax CNX. Tomado de http://cnx.org/contents/GFy_h8cu@9.87:etZobsU-@6/Adaptive-Immune-Response.
Paracrine signalling (Señalización paracrina). (2 de junio, 2015). Tomado de Wikipedia el 1 de noviembre, 2015: https://en.wikipedia.org/wiki/Paracrine_signalling.
Raven, P. H., Johnson, G. B., Mason, K. A., Losos, J. B., y Singer, S. R. (2014). Cell communication (Comunicación celular). En Biology (Biología) (10° ed., AP ed., págs. 168-185). Nueva York, NY: McGraw-Hill.
Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V. y Jackson, R. B. (2011). Cell communication (Comunicación celular). En Campbell biology (Biología de Campbell) (10° ed., págs. 210-231). San Francisco, CA: Pearson.
Sonic hedgehog. (17 de octubre, 2015). Tomado de Wikipedia el 5 de noviembre, 2015: https://en.wikipedia.org/wiki/Sonic_hedgehog.
Cargando