A+ A-

Revista: Biología Epitelial


Epidermis y fotoprotección. El lado oscuro del sol

LOS MELANOCITOS reciben de los queratinocitos los diferentes factores de crecimiento y supervivencia necesarios para su viabilidad, y les transfieren melanosomas cargados de melanina, que son imprescindibles para dar a la piel una pigmentación uniforme.

  • Idoya Martínez-Vicente

  • Departamento de Bioquímica y Biología Molecular B e Inmunología. Universidad de Murcia, España.

  • Celia Jiménez-Cervantes

  • Departamento de Bioquímica y Biología Molecular B e Inmunología. Universidad de Murcia, España.

  • José Carlos García-Borrón

  • Departamento de Bioquímica y Biología Molecular B e Inmunología. Universidad de Murcia, España.

Con un área aproximada de 2 m2 y un peso cercano al 10% del peso corporal, la piel es el mayor órgano del cuerpo. Además de constituir la principal barrera protectora frente al medio externo, posee otras funciones importantes como la participación en el metabolismo de la vitamina D. Su capa más externa, la epidermis, es un epitelio multiestratificado constituido mayoritariamente por dos tipos celulares, queratinocitos y melanocitos (Figura 1A). Los primeros, mucho más numerosos (80-90% de las células epidérmicas), se localizan en varios estratos. El estrato basal más interno contiene queratinocitos mitóticamente activos, que migran hacia el exterior a la vez que se diferencian y pierden capacidad proliferativa. En este estrato, en contacto con la membrana basal, se localizan los melanocitos, menos numerosos (~10% de la población celular) y con menor actividad mitótica. Los melanocitos están especializados en la producción y distribución de melaninas. Estos pigmentos responsables del color de la piel y el cabello se sintetizan en orgánulos denominados melanosomas, que se transfieren a los queratinocitos a través de las prolongaciones dendríticas que dan al melanocito su forma característica. Cada melanocito junto con los ~20 queratinocitos que lo rodean forman una unidad melanoepidérmica, en la que se producen intercambios bidireccionales de materia y mensajeros químicos vitales para la homeostasia epidérmica. Los melanocitos reciben de los queratinocitos los factores de crecimiento y supervivencia necesarios para su viabilidad, y les transfieren melanosomas cargados de melanina imprescindibles para dar a la piel una pigmentación uniforme. 

 

 

La epidermis está sometida a agresiones químicas y físicas entre las que destaca la radiación ultravioleta (UVR) de origen solar. La Organización Mundial de la Salud incluye la UVR en el Grupo I de carcinógenos, el de mayor riesgo cancerígeno, debido a su clara asociación con el cáncer humano más prevalente, el de piel, del que se diagnostican cada año unos tres millones de casos. El cáncer de piel puede originarse por la transformación de los queratinocitos (cáncer de piel no melanoma, generalmente de buen pronóstico), o de los melanocitos (melanoma, MM). Los MM, menos frecuentes pero mucho más agresivos, causan unos 28.000 fallecimientos al año en Europa. El daño en el ADN de queratinocitos y melanocitos producido por la UVR es el principal agente causal del cáncer de piel. Prueba de ello, el Xeroderma pigmentoso, enfermedad rara debida a mutaciones en genes implicados en la reparación del daño en el ADN inducido por UVR, cursa con fotosensibilidad extrema y un altísimo riesgo de sufrir cáncer de piel en edades tempranas. El carácter genotóxico de la UVR hace que buena parte de la biología epidérmica tienda a proporcionar una fotoprotección eficaz. Tradicionalmente se ha considerado que dicha fotoprotección depende de la pigmentación melánica. Sin embargo, veremos que la biosíntesis de melaninas puede ser un arma de doble filo, y que tanto o más importantes que el “efecto parasol” de las melaninas epidérmicas son las defensas antioxidantes y los mecanismos de reparación de las lesiones en el ADN producidas por la UVR en las células cutáneas. 

 

MELANOGÉNESIS. TIPOS DE MELANINAS

La síntesis y distribución de melaninas en la epidermis es un proceso complejo con varias etapas. Tras la transcripción de los genes de las enzimas melanogénicas, las proteínas se ensamblan en el retículo endoplásmico rugoso y se procesan a lo largo de la vía biosintéticasecretora para terminar en vesículas del sistema endosomal, que se transforman en premelanosomas donde comienza la biosíntesis del pigmento. Los premelanosomas (estadio I) maduran a través de varios estadios (Figura 1B) en los que los depósitos de pigmento aumentan progresivamente a la vez que disminuye la actividad de las enzimas melanogénicas. Los melanosomas maduros (estadio IV) son gránulos repletos de pigmento, sin actividad metabólica, que se transfieren a los queratinocitos circundantes donde se sitúan alrededor del núcleo formando una “microsombrilla” que protege el ADN nuclear de la UVR.

 

La biosíntesis de melaninas (Figura 1C) se produce con intervención de tres metaloenzimas, tirosinasa (TYR), la enzima limitante del flujo, y las proteínas relacionadas con la tirosinasa (TYRP1 y TYRP2). El aminoácido L-tirosina se oxida en dos reacciones sucesivas catalizadas por TYR: hidroxilación de tirosina a dihidroxifenilalanina (DOPA) y oxidación de DOPA a DOPAquinona (DQ). A partir de DQ, la ruta puede conducir a dos tipos de pigmentos estructural y funcionalmente muy distintos: eumelaninas y feomelaninas. Cuando la actividad TYR es alta y/o la concentración intracelular de compuestos con grupos sulfhidrilo libres es baja, se forman eumelaninas con intervención de TYRP1/2. Si la actividad TYR es baja o abundan los compuestos tiólicos (cisteína o glutatión), éstos se conjugan con DQ dando cisteinilDOPA que se oxida y polimeriza hasta feomelaninas sin participación de las TYRP. 

 

En la piel humana normal, los melanocitos fabrican mezclas de eu- y feomelaninas en proporciones variables, siendo la relación de los dos tipos de pigmentos el determinante clave del color de la piel y el cabello y del riesgo de desarrollar cáncer de piel. Las eumelaninas son menos solubles y más oscuras (del marrón al negro). Además, absorben y disipan la UVR e inactivan especies reactivas de oxígeno (ROS), por lo que son fotoprotectoras, mientras que las feomelaninas actúan como fotosensibilizadores capaces de inducir la producción de ROS al ser irradiadas por UVR. Estas ROS pueden oxidar bases nitrogenadas en el ADN y provocar roturas de hebra, promoviendo la carcinogénesis cutánea. Además, las feomelaninas son capaces de inducir un estado prooxidante, incluso en ausencia de UVR. Este efecto prooxidante “oscuro” parece deberse a la depleción de reductores intracelulares (glutatión reducido, NAD(P)H). En consecuencia, ratones mutados en el gen Mc1r, cuyos melanocitos producen mayoritariamente feomelaninas, presentan un daño oxidativo mayor en sus células epidérmicas que ratones albinos carentes de cualquier tipo de pigmento. El daño en el ADN asociado a la feomelanina parece contribuir al desarrollo de MM. Esto se demostró introduciendo en ratones eumelánicos, feomelánicos o albinos un alelo condicional de expresión melanocito-específica de la oncoproteína más común en MM, la variante V600E de BRAF. En comparación con los ratones eumelánicos o carentes de pigmento, los ratones feomelánicos presentaron mayor incidencia de MMs sin necesidad de introducir ninguna otra alteración genética o de tratarlos con UVR. 

 

 

EL GEN MC1R Y EL FENOTIPO RHC

El tipo y cantidad de los pigmentos melánicos sintetizados por los melanocitos depende de la actividad de un receptor expresado en la membrana plasmática de estas células, el receptor de melanocortinas 1 (MC1R). Mediante interacción con la proteína Gs, MC1R acopla la señal proporcionada por dos péptidos derivados de proopiomelanocortina (POMC), las melanocortinas αMSH y ACTH, a la estimulación de la cascada del AMPc. El AMPc induce la expresión del factor de transcripción Microphthalmia (MITF), que a su vez activa la transcripción de los genes de las tres enzimas melanogénicas y otras proteínas melanosomales (Figura 2). A través de la inducción de las enzimas melanogénicas vía MITF, MC1R es el principal regulador de la biosíntesis de melaninas ya que promueve el paso de una situación basal de feomelanogenesis a un estado con mayor velocidad de síntesis de eumelaninas fotoprotectoras. Además, MC1R juega un papel central en la pigmentación inducida por el sol (bronceado). La UVR solar que incide en los queratinocitos puede provocar hasta 1 x 105 lesiones en el ADN/célula/día. Estas lesiones activan vías de señalización implicadas en la respuesta al daño en el ADN que estabilizan a TP53, un factor de transcripción clave en el estrés genotóxico cuyos niveles crecen en los queratinocitos expuestos al sol. Uno de los genes activados directamente por TP53 es POMC. En consecuencia, los queratinocitos aumentan la biosíntesis de la preprohormona, que es procesada hasta αMSH y ACTH. Tras ser liberadas al medio extracelular, las melanocortinas activan de forma paracrina al MC1R en los melanocitos, con estimulación vía AMPc de la transcripción de MITF, seguida de la de las enzimas melanogénicas y de la producción de eumelaninas. Estas se transfieren a los queratinocitos circundantes y los protegen de nuevas exposiciones al sol.

 

El gen MC1R es muy polimórfico. Se estima que un 30% de los individuos de origen norte-europeo portan al menos uno de los más de 200 alelos descritos. Algunos de estos alelos frecuentes (R151C, R160W, D294H) se asocian fuertemente a un fenotipo de piel clara, pecas abundantes, cabello pelirrojo o rubio, escasa capacidad de bronceado y alta sensibilidad a las quemaduras solares. Este fenotipo cutáneo, denominado RHC por Red Hair Color, también se asocia a mayor riesgo de MM y otros cánceres de piel, estimándose este aumento en al menos un 60% para los portadores de cualquier variante, con un efecto aditivo de cada uno de los alelos. Obviamente, la base molecular de esta asociación se ha estudiado intensamente. El descubrimiento de que muchos de los alelos RHC son variantes hipomórficas en su señalización a través de la cascada del AMPc proporcionó una primera explicación. En individuos de fenotipo RHC, MC1R variante no consigue activar la producción eficiente de AMPc con lo que no se alcanzarían niveles de MITF suficientes para estimular la biosíntesis de eumelaninas. El modelo proporciona además una base molecular sencilla para la relación de alelos MC1R variantes con un bronceado ineficiente. Al presentar una capacidad disminuida o nula de activar la cascada del AMPc, los MC1R variantes no podrían transformar la señal de estrés emitida por los queratinocitos en forma de melanocortinas en un incremento de la síntesis y distribución de pigmentos fotoprotectores. Así, el riesgo de cáncer de piel se debería a un fallo de la producción del filtro solar de eumelaninas. Un corolario es que la aplicación generosa de filtros solares exógenos antes de exponerse al sol bastaría para proporcionar a individuos de genotipo RHC una fotoprotección comparable a la que otorga el MC1R silvestre. 

 

MC1R Y RIESGO DE CÁNCER DE PIEL

MC1R es un receptor promiscuo que, además de la vía del AMPc, activa la de las cinasas ERK1 y ERK2 mediante transactivación de un receptor tirosina cinasa, el cKIT. Esta vía es crucial para la proliferación de los melanocitos, siendo dos de sus componentes, NRAS y BRAF, las principales oncoproteínas mutadas en el MM. Sorprendentemente, los principales alelos RHC conservan una capacidad de activar ERK1/2 análoga a la de MC1R silvestre, a pesar de ser hipomórficos en la vía del AMPc. MC1R también modula la vía de PI3K/AKT, que regula múltiples procesos metabólicos y estimula la proliferación y supervivencia celular. Tras exposición a UVR, MC1R silvestre interacciona con la fosfatasa PTEN, un regulador negativo de dicha vía, pero las variantes RHC no unen PTEN eficientemente. Puesto que la interacción MC1R-PTEN estabiliza a la fosfatasa al evitar su degradación en el proteasoma, MC1R silvestre contribuye a mantener niveles de PTEN suficientes para limitar la actividad de AKT mientras que en melanocitos RHC, los niveles de PTEN son menores y la actividad AKT tiende a ser superior. Así, los efectos de los polimorfismos RHC en la actividad señalizadora de MC1R son complejos. Si bien disminuyen al acoplamiento a la vía del AMPc, pueden resultar neutros para el acoplamiento a las ERK e incluso aumentar la señalización por AKT.

 

 

La idea de una asociación de alelos RHC con el MM debida esencialmente a su incapacidad de activar la síntesis de eumelaninas es atractiva por su simplicidad, pero es incompleta ya que individuos de piel oscura pero portadores de dichos alelos también tienen un riesgo de MM elevado. Por tanto, deben existir factores independientes de pigmentación que contribuyan a dicha asociación. En este sentido, se ha comparado la capacidad del alelo silvestre y los RHC de estimular antioxidantes intracelulares y vías de reparación del ADN. En melanocitos con MC1R silvestre, αMSH activa la reparación de fotoproductos inducidos en el ADN por la UVR. Además, reduce la generación de ROS en la epidermis irradiada e induce la expresión de enzimas antioxidantes como catalasa, γ-glutamilcisteinil sintetasa, glutatión transferasa y glutatión peroxidasa. MC1R silvestre también activa la expresión de 8-oxoguanina DNA glicosilasa y endonucleasa apurínica apirimidínica 1, dos enzimas clave en la reparación de bases oxidadas en el ADN. Puesto que la estimulación de la síntesis de AMPc mediante drogas como forskolina mimetiza estas acciones, se ha asumido que los alelos RHC no tendrían estas capacidades antioxidantes y de reparación del ADN, explicando el componente independiente de pigmentación de su asociación con el MM. Pero la situación real no es tan sencilla ya que en melanocitos RHC, las melanocortinas inducen la reparación de bases oxidadas y de roturas de doble hebra en el ADN mediante la activación de la vía de AKT (Figura 3). Así, los melanocitos RHC pueden responder a las señales de estrés proporcionadas por los queratinocitos en forma de melanocortinas activando vías de mantenimiento de la integridad genómica mediante mecanismos independientes del AMPc. Por contraposición, los efectos de MC1R variante en la expresión de enzimas antioxidantes parecen escasos o nulos ya que no ha sido posible demostrar la inducción por αMSH de dichas enzimas en células de genotipo RHC. Esto apunta al estrés oxidativo como un componente importante de la carcinogénesis cutánea en células de genotipo RHC. Es de resaltar que la interacción de la UVR con la materia orgánica genera ROS y aumenta el estrés oxidativo epidérmico, particularmente en presencia de feomelaninas prooxidantes. También es reseñable que la mutación más frecuente en MM, BRAFV600E, no corresponde a la firma mutacional clásica de la UVR, siendo posible que se relacione con una lesión oxidativa. 

 

PERSPECTIVAS

Con un acoplamiento funcional promiscuo y más de 200 variantes descritas, los distintos alelos de MC1R presentan todo un abanico de actividades diferentes. Variantes con un tráfico intracelular impedido y expresión nula en la superficie celular no podrán activar ninguna de las 3 cascadas posibles (AMPc, ERK1/2 y AKT). Los alelos RHC más frecuentes sí alcanzan la superficie celular y presentan pérdidas de función en la vía del AMPc variables, pero mantienen la capacidad de activar ERK y AKT. Estos alelos parecen inducir vías de reparación de ADN, pero no así la expresión de enzimas antioxidantes, lo que apunta al estrés oxidativo como un factor causal clave en el MM. Una consecuencia práctica sería que para asegurar una fotoprotección adecuada de individuos RHC no bastaría un filtro solar exógeno, y habría que aportar además compuestos antioxidantes y/o capaces de activar la cascada del AMPc en las células epidérmicas. La elucidación de los mecanismos que utiliza MC1R para proteger la epidermis de la UVR permitirá diseñar estrategias fotoprotectoras de precisión, adaptadas a cada genotipo.

 

PARA LEER MÁS

Castejón-Griñán M, Herraiz C, Olivares C, Jiménez-Cervantes C, García-Borrón JC. “cAMP-independent non-pigmentary actions of variant melanocortin 1 receptor: AKT-mediated activation of protective responses to oxidative DNA damage”. Oncogene 37 (2018), 3631-46.

D’Alba L, Shawkey MD. “Melanosomes: Biogenesis, Properties, and Evolution of an Ancient Organelle. Physiol Rev. 99 (2019) 1-19.

García-Borrón JC, Abdel-Malek Z, Jiménez-Cervantes C. “MC1R, the cAMP pathway, and the response to solar UV: extending the horizon beyond pigmentation”. Pigment Cell Melanoma Res 27 (2014) 699-720.

Holcomb NC, Bautista RM, Jarrett SG, Carter KM, Krentz Gober M, D’Orazio JA. “cAMP-mediated regulation of melanocyte genomic instability: A melanoma-preventive strategy”. Adv Protein Chem Struct Biol 15 (2019) 247-95.

Mitra D, Luo X, Morgan A, Wang J, Hoang MP, Lo J, Guerrero CR, Lennerz JK, Mihm MC, Wargo JA, Robinson KC, Devi SP, Vanover JC, D’Orazio JA, McMahon M, Bosenberg MW, Haigis KM, Haber DA, Wang Y, De Fisher DE. “An ultraviolet-radiation-independent pathway to melanoma carcinogenesis in the red hair/fair skin background”. Nature 491 (2012) 449-53.

Napolitano A, Panzella L, Monfrecola G, d’Ischia M.“Pheomelanininduced oxidative stress: bright and dark chemistry bridging red hair phenotype and melanoma”. Pigment Cell Menoma Res 27 (2014) 721-33.


¿Te ha gustado este artículo? Compártelo en las redes sociales: