S. A. JIMENEZ
Dr. S. A. Jiménez: Profesor de Medicina, Bioquímica y Biología molecular. Director de investigación de Reumatología, Thomas Jefferson University, Philadelphia, Pensylvania, USA.
Los colágenos representan una gran familiar de proteínas relacionadas entre sí, caracterizadas por una composición específica de aminoácidos, conformación triple helicoidal y por ser susceptible a la degradación por colagenosas de mamífero y bacterianas. El grupo de los colágenos constituye la proteína más abundante del cuerpo y el mayor componente estructural de la matriz extracelular. Además de sus importantes funciones en el mantenimiento de la integridad estructural de muchos órganos y tejidos, los colágenos participan en la progresión coordinada del desarrollo embrionario y morfogenético, en los eventos que ocurren durante la reparación y regeneración de los tejidos, y en la iniciación de la agregación plaquetaria y probablemente de la calificación tisular. Los colágenos son responsables de la fuerza tensil de la piel, hueso, cartílago articular y tendones, y están íntegramente comprometidos en mantener la integridad de la pared vascular y de la membrana basal. El gran número de funciones importantes que tienen estas moléculas, indican claramente que las alteraciones en su estructura o metabolismo pueden resultar en una variedad de síntomas severos y ocasionalmente letales, el potencial genético total para la producción de colágeno aún no ha sido determinado, pero se han descrito al menos 11 tipos distintos de colágeno en los tejidos de los vertebrados. Cada tipo tiene una secuencia única de aminoácidos y ha sido identificado firmemente como producto de un gene diferente.
Los diferentes tipos de colágeno pueden clasificarse de acuerdo con su localización y función en cuatro grupos. Los colágenos fibrilares intersticiales que forman la estructura extracelular de los tejidos conectivos mayores, son la clase más abundante. Una segunda clase comprende los colágenos no fibrosos de las membranas basales. La tercera comprende un grupo menos bien definido de colágenos pericelulares que parecen estar localizados en el medio ambiente pericelular inmediato, quizá como parte del esqueleto externo de la célula. Además, existe una cuarta categoría de otros colágenos diferentes, de función desconocida y distribución variable, que no pueden ser clasificados en los tres primeros grupos.
Además de estas moléculas que son clasificadas como miembros de la familia del colágeno, otras proteínas no relacionadas contienen secuencias semejantes al colágeno. Se presume que estas secuencias le permiten a esas moléculas mantener la conformación estéri ca, requerida para realizar sus funciones biológicas especializadas. Por ejemplo, se piensa que la secuencia del colágeno del subcomponente Ciq del sistema de complemento sanguíneo, provee un segmento rígido que les permite autoagregarse; y en la acetilcolinesteresa parece servir para fijar la enzima alas membranas basales. Se ha encontrado recientemente que dos componentes protéicos del surfactante pulmonar contienen secuencias de colágeno que parecen ser responsable de la adhesión de los fosfolípidos activos de superficie. La superficie. La estructura y la organización supramolecular de los diferentes colágenos será descrita brevemente a continuación.
Colágenos fibrilares: Los principales colágenos fibrilares se conocen como de tipo I, II y III. En microfotografía electrónica exhiben un patrón de estrías cruzadas con una perioricidad característica de 65-67 nm. La estructura primaria de las cadenas contiene toda la información necesaria para permitir el enrollamiento de las moléculas nativas y su empaquetamiento dentro de las fibras. La estructura primaria también parece determinar el tipo y número de enlaces curzados intermoleculares que eventualmente pudieran ser formados, y la naturaleza de la interacción del colágeno con otros componentes del tejido conectivo, como las glicoproteínas y los proteoglicanos.
Colágeno tipol: Es el colágeno de mamífero más abundante y mejor caracterizado, y consiste en 2 cadenas α i (I) idénticas y de una cadena a 2 genéticamente diferente, en la forma molecular de α i (I) 2 α2. Esta forma cuenta para cerca del 90% del colágeno en el cuerpo y es el mayor componente del colágeno de la córnea, conjuntiva, piel, esclera, sinovia, hueso y tendón. Las fibras colágenas tipo I observadas al microscopio electrónico son usualmente de estrías cruzadas anchas.
Una molécula aparentemente compuesta de α 1 (I) 3 se ha encontrado en concentraciones baja en la córnea, piel, huesos embrionarios y tendones, y en la dentina de la rata. Estas especies moleculares también han sido identificadas como productos de varios cultivos celulares y tumores. Aunque su papel funcional no se ha entendido, el tipo trímero I aparece en concentraciones muy altas en las heridas en cicatrización, reacciones inflamatorias y tejidos embrionarios.
Colágeno tipo II. Es un producto específico de los condrocitos y de las células del vitreo. Sus fibras aparecen más delgadas que aquellas del colágeno tipo I en microfotografías electrónicas. El colágeno tipo II está compuesto por 3 cadenas α idénticas y se designa como α 1(11) 3. Estas moléculas contienen un alto número de residuos de hidroxilisina y cantidades grandes de residuos de carbohidratos. El colágeno tipo II es el principal componente estructural del cartílago articular y es responsable de la fuerza tensil del tejido.
Colágeno tipo III. Se encuentra asociado frecuentemente con el tipo I en la piel, la sinovia y el tejido de la pared vascular. Esta forma de colágeno también contiene 3 cadenas idénticas que son fácilmente distinguibles de las del tipo fibrilar descritas previamente.
La molécula de tipo III es por eso designada como α 1 (III) 3. A diferencia de los otros colágenos intersticiales, las moléculas de colágeno de tipo III contienen residuos de cisterna que forman puentes disulfuro entre las cadenas, de tal forma que las moléculas nativas están representadas por un trímero con puentes disulfuro.
El hecho de que el colágeno de tipo III forma fibrillas de diámetro más pequeño y de organización fibrilar diferente que aquellas del colágeno tipo I, sugieren que la expresión de genes separados del colágeno es un paso importante para establecer y mantener las características individuales de un tejido conectivo en particular. Por ejemplo, se encontró que las proporciones relativas del tipo I y del tipo III cambiaban drásticamente en heridas de piel en fase de cicatrización y en lesiones queloides de la piel.
Colágenos de la membrana basal. Los colágenos de la membrana basal son probablemente las responsables de la integridad estructural de las membranas y pueden activar cinco sitios de fijación para otros componentes. Al contrario de los colágenos discutidos previamente, los colágenos de la membrana basal, llamados Colágenos de tipo IV, no son fibrilares cuando se observan en el microscopio electrónico.
La estructura de estas especies moleculares ha sido materia de controversia, sin embargo, un trabajo reciente ha identificado 2 cadenas α distintas como los componentes moleculares del colágeno tipo IV. Estas cadenas se asocian para formar homo o heterotrimeros con las composiciones de α 1 (IV) 3, α 2 (IV) 3 ó α 1 (IV) 2 . 2 (IV). Estudios sombreados por rotación han demostrado que estas moléculas contienen varios dominios intrahelicoidales de no colágeno, que probablemente permiten una mayor flexibilidad al cuerpo principales de la molécula. El dominio helicoidal de la cadenas de colágeno tipo Ν muestra una angulación diferente cerca al extremo aminoterminal de las cadenas y un dominio globular grande en el extremo Carboxiterminal de las cadenas. Las moléculas de colágeno de tipo IV se reúnen dentro de una red supramolecular muy específica, creada a través de la asociación de extremos similares de las moléculas. Cuatro moléculas están asociadas a través de sus dominios amino terminales distales a las angulaciones descritas arriba, formando un dominio tetramérico resistente a la pepsina. El dominio terminal globular C conecta 2 moléculas entre sí resultando en una red bien organizada.
Colágenos pericelulares. El colágeno tipo V rodea los fibroplastos, las células del músculo liso y otras células del mesenquima. Este tipo de colágeno contiene distintas cadenas conocidas como α A y α Β que son componentes menores encontrados en productos de la digestión con pepsina de placenta, córnea, piel y vasos sanguíneos. Las moléculas de tipo V están compuestas de homo o heteropolómeros, dependiendo del tejido de origen. La forma molecular que se encuentra con más frecuencia contiene 2 cadenas α A y una cadena q B. Sin embargo, trímeros de cadenas α1 A y α Β también han sido descritos. No es claro que determina la proposición relativa de esas cadenas dentro de las moléculas y cuál es su papel exacto en la estructura y función tisulares.
Otros colgenos. Varios tipos nuevos de colágeno han sido identificados recientemente como productos genéticos distintos, sin embargo, su papel funcional y estructural aún permanecen desconocido.
Colágeno tipo IV. El colágeno tipo IV está compuesto por cadenas que contienen un dominio triple helicoidal de colágeno limitado por un dominio globular grande en cada extremo de las cadenas. El dominio globular representa aproximadamente dos tercios del total de la masa de la cadena, mientras que la región del colágeno representa solamente un tercio. Las cadenas del colágeno tipo VI han sido encontradas distribuidas en muchos tejidos conectivos, pero localizaron en forma predominante en la piel y pueden representar los que se conocían previamente como "filamentos redondos" encontrados en el tejido embrionario, así como en lesiones activas es esclerodermia.
Colágeno tipo VII. También conocido como "colágeno de cadenas largas", estas moléculas contienen un dominio helicoidal de colágeno, que es al menos una y media veces más grande que el de los colágenos intersticiales. El colágeno tipo VII puede representar las llamadas "fibrillas para andaje", que son responsables de la adhesión de las membranas basales al estroma de los tejidos, particularmente en la región dermoepidérmica. El colágeno tipo VII interactúa por arreglos diméricos antiparalelo, mostrando una superposición entre los extremos moleculares interactivantes.
Colágeno tipo VIII. Este colágeno fue descrito originalmente como un producto de las células endoteliales en cultivo y fue llamado previamente colágeno EC. El colágeno tipo VIII no ha sido bien caracterizado, pero parece que las moléculas pueden estar compuestas de dominios helicoidales relativamente cortos, interrumpidos por dominios no helicoidales, sensibles a la proteasa. Estas cadenas se estabilizan por abundantes puentes disulfuro, y la molécula intacta parece tener un peso molecular mayor de 500. 000 bajo condiciones no reductoras.
Colágeno tipo IX. Estas cadenas han sido demostradas específicas en tejidos cartilaginosos pero su función no se ha determinado. La molécula de colágeno tipo IX parece estar compuesto por 3 cadenas que contienen regiones helicoidales interrumpidas por dominios no helicoidales. Las cadenas individuales están unidas por puentes disulfuro. Estudios recientes han mostrado que una de las cadenas de colágeno tipo IX contiene un puente covalente de tipo glicosaminoglicano y, por lo tanto, puede considerarse como una proteína con núcleo de proteoglicanos. La mostración de una interacción covalente entre el colágeno y una molécula de glicosaminoglicano en el cartílago articular sugiere que el colágeno de tipo IX puede estar comprometido en la mediación de la interacción de la matriz del colágeno con los proteoglicanos en estos tejidos.
Colágeno tipo X. Este colágeno, también conocido como colágeno de cadena corta, es un producto biosintético específico de condrocitis hipertróficos, de crecimiento en placa y se encuentra exclusivamente en las regiones undergoing formación endocondral de hueso. Debido a la relación temporal y topográfica cercanas de la iniciación de la síntesis del colágeno tipo X con el comienzo de la calcificación del tejido, se ha sugerido que esas cadenas pueden jugar papel en el proceso de la osificación endocondral. Las cadenas de colágeno tipo X están formadas por regiones cortas (45. 000 mw), triple helicoidales, conteniendo un dominio globular en el extremo aminoterminal. Las cadenas intactas son de cerca de 60. 000 mw. El dominio triple helicoidal parece estar estabilizado por puentes disulfuro en los mamíferos, como uniones disulfuro en los cartílagos humanos.
Colágeno tipo XI. Este nombre ha sido recientemente asignado para identificar moléculas de colágeno compuestas por cadenas previamente conocidas como 1 α, 2 α y 3 α . El colágeno tipo XI es también un producto específico de los tejidos cartilaginosos y este compuesto por 3 cadenas que retienen grandes dominios globulares en ambos extremos. Hay alguna controversia acerca de la naturaleza de la cadena 3, dado que no es claro si ésta representa una cadena de colágeno tipo II con una extensa modificación posttranslacional, o si de hecho es producto de un gene distinto. En muchos tejidos cartilaginosos la proporción de las 3 cadenas es esquimolar, sugiriendo que están arregladas en una estructura hetero-trima.
Genes del colágeno y enfermedades moleculares del colágeno. Avances recientes en el entendimiento de la biosíntesis, estructura y metabolismo de los colágenos ha permitido la demostración de defectos moleculares específicos o alteraciones en la regulación de su producción en varias enfermedades heredadas y adquiridas. Estos desórdenes representan las verdaderas "enfermedades del colágeno" y comprenden los "errores innatos del colágeno" como el Síndrome de Ehlers-Danlos y la osteogenesis imperfecta, así como algunas enfermedades adquiridas como la excleroderma y otras enfermedades fibrosantes. El desarrollo de técnicas de DNA recombinante ha permitido la identificación, caracterización estructural y la secuenciación de nucleótidos de varios genes de colágeno normal y la demostración de mutaciones específicas que son responsables por las anormalidades de la estructura y función del colágeno en algunas de estas enfermedades. Los estudios iniciados sobre genes del colágeno intersticial (tipo I, II y III) han demostrado que generalmente sus genes muy grandes (30 kilo bp) con una notable estructura intron/exon en la región que codifica para la región triple helicoidal del colágeno. Estos genes parecen haber evolucionado de la expansión de un pequeño gene ancetral de 54 bp. Estudios adicionales en genes de membrana basal (Tipo IV) y de colágenos tipo IX y X, muestran que su estructura es marcadamente diferente a la de los genes del colágeno intersticial, indicando que ellos probablemente se desarrollan a lo largo de vías enteramente diferentes de evolución.
Varios métodos diferentes han sido aplicados a defectos del colágeno molecular a nivel genético. El análisis directo del genoma humano por hibridización Southern permite la detección de algunas mutaciones, particularmente de aquellas que comprenden el reconocimiento de las secuencias de polimorfismas restricción de enzimas (RFLP's) y aquellas que causan grandes alteraciones (inserciones y relaciones) en la estructura del gene. La estructura exon/intron del gene puede ser estudiada por análisis de asa R a nivel de microscopio electrónico. Para un análisis más deta llado, la clonación y secuenciación de un gene en partículas es requerido normalmente. Las unas de DNA complementario (CDNA) también pueden ser utilizadas como sondas en el análisis de la expresión de los genes del colágeno en varias enfermedades; los niveles de mRNAs en diferentes tejidos puede ser determinado empleando la hibridización Northern, y los cambios en la expresión de esos genes en condiciones patológicas pueden ser estudiados por hibridización semicuantitativa dotblot. El estudio de la expresión tizular de los genes del colágeno puede ser establecido por el elegante método de la hibridización in vitro utilizando secciones de tejido fijado que son hibrizadas con sondas específicas de colágeno.
Actualmente, los métodos moleculares biológicos disponibles han sido utilizados casi exclusivamente para estudiar la nturaleza de los defectos genéticos en casos selectos de enfermedades congénitas que afectan el colágeno. Una posibilidad interesante, sin embargo, es la aplicación de esos métodos para el estudio de enfermedades que son consideradas estrictamente adquiridas. Entre éstas, la osteoartritis y la osteoporosis son candidatos, donde el uso de métodos biológicos moleculares pueden revelar que una anormalidad genética sutil del colágeno es el factor etiológico primario, en al menos algunos tipos de estas enfermedades. Usando la osteoartritis como un ejemplo, puede ser posible demostrar que un defecto genético en el colágeno tipo II específico del cartílago, es responsable de la degeneración del cartílago característica de esta enfermedad. Un posible esquema estratégico involucraría la identificación de formas heredadas o adquiridas de la enfermedad como son la osteoartritis primaria generalizada y la condrocalcinosis familiar. El aislamiento del DNA genómico de los miembros de estas familias y la detección de patrones anormales de RFLP permitirían la identificación de los genes responsables. Estos estudios de RFLP resultarían en el desarrollo de tests diagnósticos para identificar miembros de la familia con riesgo de desarrollar la enfermedad. La clonación y establecimiento de la secuencia de estos genes permitirían identificar las mutaciones específicas del gene. Subsecuentemente, la ingeniería genética y la construcción de esos genes anormales permitiría su inserción en embriones de ratón para crear ratones transgénicos que contienen el gene humano anormal. La expresión de ese gene anormal en los ratones transgénicos resultaría en degeneración del cartílago articular, y. en consecuencia, produciría un modelo auténtico de osteoartritis que puede ser usado para probar agentes terapéuticos que puedan prevenir la progresión de la enfermedad. El esquema general ilustra las inmensas posibilidades ofrecidas por la aplicación de la biología molecular, para identificar la causa de muchas enfermedades que en el presente son consideradas como de naturaleza enteramente adquirida, y ofrece la posibilidad de desarrollar posibilidades terapéuticas más racionadas para estas enfermedades comunes.