Los investigadores Ulrich Hartl, Arthur Horwich, Kazutoshi Mori y Peter Walter identificaron los procesos moleculares de los que depende el plegamiento de las proteínas, un mecanismo imprescindible para que lleven a cabo sus funciones en el organismo, así como la respuesta que se desencadena para repararlas o eliminarlas cuando no se pliegan adecuadamente.
El Premio Fundación BBVA Fronteras del Conocimiento en Biología y Biomedicina ha sido concedido en su XVI edición a los cuatro científicos que descubrieron los mecanismos fisiológicos que controlan el funcionamiento de las proteínas, un hallazgo fundamental tanto para comprender el origen de múltiples enfermedades como para desarrollar nuevas estrategias terapéuticas.
En primer lugar, los profesores Ulrich Hartl (Instituto Max Planck de Bioquímica, Alemania) y Arthur Horwich (Universidad de Yale, EEUU) desvelaron la maquinaria celular de la que depende el plegamiento de las proteínas, un proceso imprescindible para que lleven a cabo sus funciones en el organismo.
Posteriormente, Kazutoshi Mori (Universidad de Kioto, Japón) y Peter Walter (Altos Labs y Universidad de California en San Francisco, EE UU) identificaron el mecanismo de respuesta que se desencadena para replegar o eliminar las proteínas cuando no se pliegan adecuadamente.
En el ADN de nuestras células residen todas las instrucciones que necesitamos para desarrollarnos, sobrevivir y reproducirnos. Pero las principales responsables de llevar a cabo estas funciones son las proteínas y “para cumplir su función” – según explica el acta del jurado – “deben adoptar determinadas estructuras tridimensionales que se alcanzan en las células con la ayuda de un grupo de proteínas llamadas chaperonas”.
Los cuatro galardonados lograron dos descubrimientos clave en este campo: Hartl y Horwich descubrieron la primera ruta celular que regula el plegamiento de proteínas, gracias al hallazgo del papel que desempeña la llamada chaperona Hsp60, mientras que Mori y Walter identificaron el mecanismo al que recurren las células cuando el plegamiento de las proteínas falla, actuando sobre ellas, bien para intentar plegarlas correctamente o, si no es posible, destruirlas.
Estos hallazgos sobre un proceso biológico tan fundamental para la vida tienen enormes implicaciones biomédicas, ya que la maquinaria molecular que controla tanto el plegamiento de proteínas, como la respuesta a los fallos en este mecanismo, está implicada en el origen de múltiples enfermedades, desde el cáncer hasta trastornos neurodegenerativos como el alzhéimer, el párkinson y la esclerosis lateral amiotrófica (ELA), o el propio proceso de envejecimiento.
Por todo ello, el jurado concluye su acta resaltando que los “revolucionarios hallazgos” de los cuatro galardonados han revelado “cómo las células controlan la biogénesis y la degradación de las proteínas, algo fundamental no solo para la fisiología, sino también para entender el origen y diseñar terapias para muchas enfermedades”.
“Los dos descubrimientos que reconoce el premio son fundamentales para la salud de cada célula y por tanto de nuestro organismo. En particular existen algunas enfermedades que se deben a la acumulación de proteínas que no se han plegado bien y que se convierten, por lo tanto, en tóxicas”, explica Óscar Marín, catedrático de Neurociencia y director del Centro de Trastornos del Neurodesarrollo del MRC en King's College London (Reino Unido), que ha actuado como secretario del jurado. “Si las proteínas no se pliegan adecuadamente, esto produce la pérdida de función de las células, por ejemplo, en algunas enfermedades degenerativas del sistema nervioso”.
“Los hallazgos de los cuatro premiados son importantes no sólo para nuestra comprensión de la biología fundamental, sino también porque conducen a una nueva manera de entender las enfermedades y tratarlas mejor en el futuro”, resalta por su parte Dario Alessi, director de la Unidad de Fosforilación y Ubiquitinación de Proteínas del MRC en la Universidad de Dundee (Reino Unido) y miembro del jurado.
Según Aresi, “en la actualidad existe un enorme interés, especialmente en el campo de la neurodegeneración, para impulsar vías terapéuticas que puedan mantener las proteínas plegadas correctamente en las células, y también para impulsar el proceso de eliminación de proteínas no plegadas, porque esto es perjudicial para las células.
Además, agrega el experto, “en el caso del cáncer, se piensa que si se pudieran inhibir las enzimas que causan el plegamiento de proteínas en algunos tipos de tumores, esto podría aumentar la capacidad de eliminar las células cancerosas que crecen muy rápido y son muy dependientes de este proceso”.
En 1972, Christian Anfinsen recibió el Premio Nobel por una serie de experimentos que demostraron que ciertas proteínas pequeñas se pliegan de manera espontánea dentro de un tubo de ensayo. Su trabajo asentó la idea, que Hartl y Horwich acabarían desmintiendo, de que todas las proteínas, incluso dentro de las células, se pliegan espontáneamente.
En la década de 1980, Hartl y Horwich, por separado, estudiaban cómo las proteínas entraban en unos compartimentos llamados mitocondrias que existen dentro de las células y que están rodeados por una membrana. Hartl había comprobado que, para traspasar esa membrana, las proteínas debían estar desplegadas, y este resultado dio pie a que Horwich explorara una hipótesis insólita: “Quizá las proteínas, al menos dentro de las células, no se pliegan de manera espontánea después de traspasar la membrana mitocondrial”, recuerda.
En su laboratorio, el investigador tenía versiones mutantes de levadura. Al examinarlas con su equipo para comprobar cómo entraban las proteínas en la mitocondria, creyó comprobar que, en una de ellas, las proteínas traspasaban la membrana correctamente, pero, una vez dentro, eran incapaces de activar sus funciones. Si el resultado se confirmaba, querría decir que las proteínas, dentro de esas células, no se plegaban de manera espontánea: tenía que existir algo que lo impedía. “Nos asustamos muchísimo con el resultado porque creíamos que nadie en el mundo se lo iba a creer. Era una herejía contra los principios de Anfinsen”, relata Horwich.
Si el resultado se confirmaba, querría decir que las proteínas, dentro de esas células, no se plegaban de manera espontánea: tenía que existir algo que lo impedía. Nos asustamos porque era una herejía contra los principios de Anfinsen
Casualmente, un par de meses más tarde, el investigador de Yale recibió una llamada telefónica desde el laboratorio de Hartl. Sin conocer todavía el resultado de aquel experimento ‘herético’, Hartl también había cuestionado la hipótesis del plegamiento espontáneo de las proteínas dentro de las células y tenía interés en examinar este proceso en las levaduras mutantes de Horwich.
Para Horwich, esta llamada fue providencial, al darle acceso a las sofisticadas técnicas experimentales del laboratorio de Hartl que permitirían reconstruir el proceso de entrada de las proteínas en la mitocondria en todo detalle.
De inmediato, viajó a Múnich desde Yale para animar a Hartl a verificar el resultado preliminar que él había obtenido con la levadura mutante. A su regreso, Horwich envió a Hartl por correo la muestra en la que había creído ver que fallaba el plegamiento de las proteínas y, al cabo de pocas semanas, Hartl le dio la buena noticia de que su resultado se confirmaba.
Comenzó así una fructífera colaboración entre ambos, que les permitió descubrir que la culpable de que las proteínas no se plegaran correctamente era otra proteína llamada Hsp60 (siglas en inglés de heat shock protein), que no estaba presente en la levadura mutante. Dedujeron, por tanto, que la Hsp60 era la responsable de que el plegamiento de proteínas funcionara como debía, es decir, actuaba de chaperona para las proteínas, desbancando definitivamente la visión anterior de que el plegamiento era un proceso espontáneo incluso dentro de las células. Hartl y Horwich publicaron estos resultados en Nature en 1989.
“Los resultados de los primeros experimentos fueron muy controvertidos durante un par de años”, recuerda Hartl: “Hubo mucho escepticismo, especialmente por parte de personas que habían estudiado cómo se plegaban las proteínas pequeñas en un tubo de ensayo de manera espontánea”. Pero, tras sucesivos experimentos, Horwich y Hartl finalmente convencieron a la comunidad científica de que, en el entorno mucho más adverso de la célula, las proteínas sí necesitan a las chaperonas para poder plegarse correctamente.
“El cambio de paradigma conceptual que introdujeron Hartl y Horwich fue que antes se pensaba que las proteínas eran capaces de plegarse por sí solas, y ellos describieron que en el proceso de plegamiento de la proteína la naturaleza a través de la evolución ha requerido de una maquinaria adicional –las chaperonas– para que la proteína llegue a ser totalmente funcional”, explica Óscar Millet, investigador principal del Laboratorio de Medicina de Precisión y Metabolismo de CIC bioGUNE en Bilbao.
De hecho, la chaperona actúa encapsulando la proteína a plegar para aislarla del entorno. “La chaperona proporciona un recipiente, una especie de mini tubo de ensayo”, explica Hartl, en el que solo pueden entrar las proteínas de una en una. Así, se evita el peligro de que la proteína no plegada se aglomere con otras y no pueda plegarse.
“La célula es un mundo despiadado, un sitio donde hay grandes concentraciones de proteínas, golpeándose continuamente. Las chaperonas proveen a las proteínas, de manera distinta, de un entorno adecuado para que puedan realizar su plegamiento sin interacciones no deseadas, en el entorno hostil de la célula”, explica José María Valpuesta, director del Departamento de Estructuras Macromoleculares en el Centro Nacional de Biotecnología en Madrid.
En un experimento que resultó crítico para determinar el papel esencial de las chaperonas, Hartl y Horwich partieron de organismos unicelulares como la bacteria Escherichia coli o la propia levadura y borraron los genes responsables de producir estas chaperonas. Los investigadores vieron cómo en estos organismos se producía una aglomeración de proteínas no plegadas que ocasionaba su muerte.
Cuando el plegamiento de proteínas no se desarrolla correctamente, las proteínas no pueden cumplir su función y la célula posee un mecanismo que permite o bien intentar repararlas o, si no es posible, eliminarlas. Se trata del mecanismo de respuesta a proteínas mal plegadas (en inglés, unfolded protein response o UPR), un proceso que descubrieron de manera simultánea, pero independiente, Kazutoshi Mori y Peter Walter.
Cuando la capacidad de la célula para plegar proteínas de una célula se ve superada por la cantidad de proteínas a plegar, o cuando las condiciones de plegamiento están sometidas a condiciones de estrés (por ejemplo, debido a la falta de oxígeno o nutrientes), las proteínas no consiguen plegarse correctamente, volviéndose tóxicas debido a fenómenos de agregación y deben ser reparadas o eliminadas por un proceso que cumple un papel comparable al de un “cubo de basura que debe vaciarse”, en palabras de Dario Alessi.
Además, mientras esta maquinaria está en marcha, se ponen “en pausa” los procesos celulares que fabrican más proteínas hasta que la célula se reinicia y vuelve a funcionar con normalidad.
Mori y Walter descubrieron este proceso de manera independiente, y, aunque nunca han firmado un trabajo juntos, ambos publicaron sendos artículos con sus descubrimientos en el mismo año, 1993, en la revista Cell. “Competíamos por el mismo objetivo”, recuerda Mori, “y esa competición hizo que este campo avanzase drásticamente”.
“Peter Walter y yo identificamos los mecanismos moleculares del UPR, lo que ha permitido a muchos científicos investigar en este campo”, explica Mori. En concreto, ambos identificaron una enzima, denominada IRE1, que actúa como un sensor de las proteínas no plegadas y envía señales de alerta hacia el núcleo de la célula para corregir el plegamiento defectuoso y eliminar las proteínas mal plegadas.
Walter comenzó su investigación “de una manera muy simple”, recuerda. “Nos preguntábamos cómo se comunican las células entre ellas, cómo averiguan cuándo necesitan cambiar su composición molecular. En este caso lo hacen fabricando más chaperonas. Pero para que la célula pueda tomar esta decisión, tiene que saber si el plegamiento de proteínas se ha realizado adecuadamente. Así descubrimos los sensores IRE1, que actúan como el canario en la mina de carbón”, añade.
Ambos utilizaron las células de la levadura para iniciar sus investigaciones, y fue en ellas donde descubrieron los sensores. “Son como pequeños tubos de ensayo en un sistema vivo”, explica Walter, “muy simples de manipular en genética y bioquímica. Más adelante, resultó que casi todas las características destacadas que descubrimos en la levadura eran válidas para prácticamente todas las células del cuerpo humano”.
Los cuatro galardonados están convencidos de que sus hallazgos sobre la maquinaria molecular que regula tanto el plegamiento de las proteínas como los fallos en este proceso pueden impulsar el desarrollo de nuevos tratamientos eficaces contra múltiples enfermedades e incluso contribuir a entender y actuar sobre el proceso de envejecimiento.
“El parkinson, el alzheimer, la enfermedad de Huntington y posiblemente la ELA tienen en común que, a una edad determinada, los pacientes desarrollan problemas en su cerebro, con sus células nerviosas, debido a la acumulación de proteínas mal plegadas. En general, la probabilidad de que esto ocurra es mucho mayor cuando se envejece”, explica Hartl. Por ello, el investigador del Instituto Max Planck cree que se podrían combatir estos trastornos al “interferir en la producción de las proteínas que se acumulan”. De hecho, señala que ya se han logrado importantes avances experimentales en la aplicación de esta estrategia terapéutica frente a la ELA y la enfermedad de Huntington.
El parkinson, el alzheimer, la enfermedad de Huntington y posiblemente la ELA tienen en común que, a una edad determinada, los pacientes desarrollan problemas en su cerebro, con sus células nerviosas, debido a la acumulación de proteínas mal plegadas
Horwich también destaca el potencial biomédico de su investigación básica: “Las implicaciones son que existen asistentes de plegamiento dentro de las células que se unen a las proteínas mal plegadas y, al hacerlo, pueden evitar que sean tóxicas para la célula o que carezcan de cualquier función normal”. Desde esta óptica, el catedrático de Yale prevé que el uso terapéutico de chaperonas capaces de reconocer estas proteínas mal plegadas “podría ser una forma de resolver las afecciones neurodegenerativas”.
Además, como la acumulación de proteínas mal plegadas parece incrementar con la edad, Hartl también cree que sus hallazgos podrían tener implicaciones para frenar el proceso del envejecimiento: “Si se pudiera potenciar la maquinaria propia de la célula que impide la agregación tóxica de proteínas, probablemente también podría ser beneficioso frente al envejecimiento de forma más general”.
De hecho, el investigador Tomás Aragón, del CIMA de Navarra –que realizó su tesis doctoral bajo la dirección de Peter Walter– explica que los fallos en los mecanismos de plegamiento y de respuestas al mal plegamiento de las proteínas están asociados al envejecimiento humano y a la mayor parte de las enfermedades neurodegenerativas humanas: ”La capacidad de las células de nuestro organismo para desarrollar estos procesos de reparación y de control de calidad de las proteínas van declinando a lo largo del tiempo. Potenciarlas o despotenciarlas puede servirnos frente al envejecimiento y múltiples patologías”.
Mori, por su parte, destaca también el hecho de que algunas moléculas capaces de mitigar los fallos en el plegamiento de proteínas ya se están empezando a utilizar para combatir tanto la ELA como algunos trastornos del hígado. “En el futuro esperamos poder tratar varias enfermedades crónicas neurodegenerativas y hepáticas”, afirma.
Algunas moléculas capaces de mitigar los fallos en el plegamiento de proteínas ya se están empezando a utilizar para combatir tanto la ELA como algunos trastornos del hígado
Finalmente, Walter resalta el potencial de esta vía terapéutica frente al cáncer. “Las células cancerosas”, explica, “tienen un problema intrínseco y es que son genómicamente inestables. Producen muchas proteínas mal plegadas, proteínas que no pueden ensamblarse correctamente. La respuesta a las proteínas mal plegadas proporciona una protección desproporcionada a estas células, y eso las mantiene vivas, a pesar de que normalmente esta respuesta estaría programada para que se autodestruyeran”. Por ello, es posible que “inhibir esta respuesta eliminaría ese crecimiento inadecuado y nos permitiría actuar sobre las células cancerosas de forma muy selectiva en el tratamiento de la enfermedad”.
De hecho, según explica Óscar Millet, en la actualidad ya existe “una línea de intervención farmacológica entera que es intentar emular el efecto de las chaperonas con lo que se llama la chaperona fármaco, o chaperonas moleculares, que serían moléculas químicas que simplemente se asocian a la proteína y harían las veces de chaperona”.
Más de 40 artículos en las distintas revistas del grupo Nature presentan hoy los resultados parciales del ambicioso proyecto de mapear los 37 200 millones de estas unidades fundamentales de la vida. Una tarea compleja que requiere combinar técnicas de genómica e inteligencia artificial para estudiar con gran resolución las firmas moleculares de un amplio abanico de células, como las que forman la placenta.
La relación entre la contaminación del aire y el aumento del riesgo de desarrollar esta patología y otras demencias no es nueva. Un nuevo trabajo pretende revelar por qué las partículas finas (PM2.5) han sido vinculadas con cambios negativos en la salud cerebral.
