La glucosa-6-fosfato dehidrogenasa (G6PDH) es una enzima fundamental en el metabolismo central. Conecta la glucolisis con el metabolismo de los azúcares en el ciclo de las pentosas fosfato, a través de la oxidación de glucosa-6-fosfato a 6-fosfogluconolactona por NADP+. La reacción es una fuente de NADPH, que es un cofactor crucial en algunos procesos bioquímicos, como la recuperación del glutation, un pequeño péptido esencial para evitar daños por estrés oxidativo.

La recuperación de glutation es especialmente significativa en los glóbulos rojos, en los que esta reacción es su única fuente de NADPH. Si sus niveles se ven comprometidos, los glóbulos rojos se ven afectados por daño oxidativo y puede producirse anemia hemolítica

Esto puede tener lugar por deficiencia de la enzima G6PDH, que es, precisamente, una de las enzimopatías más comunes, afectando a casi 500 millones de personas en todo el mundo, principalmente en Africa, Peninsula Arábica y Sudeste Asiático. Se han descrito 230 mutaciones con relevancia clínica, principalmente hombres, al estar ligadas al cromosoma X. Las más graves producen anemia hemolítica y las menos severas producen hemolisis asociadas a tóxicos que producen estrés oxidativo o algunas toxinas, como las lectinas presentes en las judías.

La razón de esa distribución es que, curiosamente, la deficiencia de esta enzima confiere resistencia contra la malaria producida por el parásito Plasmodium falciparum. Entonces, en las zonas donde la enfermedad es endémica, las mutaciones de G6PDH proporcionan una ventaja evolutiva, prevaleciendo gradualmente sobra la enzima más activa, ya que el parásito requiere de ésta para su ciclo vital.

Mutación en la arginina 219

En el trabajo publicado en Nature Communications por Zgheib et al., se describe un caso muy interesante desde el punto de vista de la bioquímica estructural. Un joven paciente de 15 años sufrió hemolisis y pancitopenia tras una infección viral. Los autores estudiaron el caso y, tras ver en su historia que un tío suyo tenía deficiencia de G6PDH, llevaron a cabo el estudio bioquímico de la enzima.

Descubrieron una nueva mutación en la enzima, en la que una arginina en la posición 219 se había sustituido por una glicina. Esta mutación puede estar asociada a un cambio de un simple nucleótido, pues los codones de glicina y arginina sólo se diferencian en su primer nucleótido, siendo G para arginina y C para glicina.

El problema es que el cambio de un aminoácido con carga como la arginina por un aminoácido neutro de pequeño tamaño como la glicina puede tener importantes implicaciones en la estructura de la proteína. En efecto, la arginina 219 estabiliza la estructura proteica, que es un dímero, a través de un puente de hidrógeno y de la carga positiva, por interacción electrostática. Al cambiar por la glicina, se pierden esas interacciones electrostáticas en una posición clave, desestabilizándose la estructura de la enzima y dificultando su acción catalítica. Los autores comprueban que, en efecto, la enzima mutante es mucho más sensible a la desnaturalización, debido a la desestabilización estructural. La enzima mutante pierde actividad a temperatura superior a 44ºC, mientras que la enzima WT (wild type, la enzima funcional normal) pierde actividad a temperaturas superiores a 50ºC.

Es interesante que la arginina 219 no está en el centro activo de la enzima. Así, podemos explicar los datos experimentales de la actividad de la enzima que obtienen los autores:

• K_m=49.5 µM para el sustrato (glucosa 6 fosfato) en la enzima WT
• K_m=46.1 µM para el sustrato en la enzima con la mutación
• K_cat=326 s^-1 para la enzima WT
• K_cat=6 s^-1 para la enzima mutante.

¿que nos dicen estos resultados?. Que la enzima mutante muestra una constante de Michaelis-Menten similar a la WT para el sustrato glucosa-6-fosfato, por lo que no ha perdido afinidad por el sustrato; no es sorprendente, pues la mutación no afecta al centro activo y la unión sustrato-enzima no se ha visto afectada. Sin embargo, la enzima mutante ha perdido eficiencia catalítica. Recordemos que el Kcat o numero de turnover son los moles de sustrato que son transformados por mol de enzima y por segundo. Así, su actividad se ve enormemente reducida: la enzima WT es 54 veces más activa. Esto es debido, probablemente, por la dificultad de la enzima mutante para alcanzar un estado de transición energéticamente favorable, ya que la mutación condiciona el ajuste de la enzima con el sustrato y el cofactor.

Este caso ilustra bien la diferencia de significado entre las dos constantes fundamentales de la actividad enzimática y cómo la discusión teórica que realizamos en la clase de Bioquímica Estructural tiene gran relevancia práctica.

Referencias

Zgheib, O. et al. (2023) ‘Substitution of arginine 219 by glycine compromises stability, dimerization, and catalytic activity in a G6PD mutant’, Communications Biology. Springer US, 6(1), p. 1245. doi: 10.1038/s42003-023-05599-z.

Realizado por: Cintia Merino Piñón y Celia Juara Díaz (1ºC Biología Sanitaria – UAH)

POLIHIDROXIALCANOATOS Y SU PRODUCCIÓN INDUSTRIAL

Dado que tenemos un amplio abanico de bacterias capaces de producir PHB, las técnicas y sistemas de cultivo son igualmente variados. Todas ellas pueden dividirse en dos grupos, dependiendo de las condiciones que necesitan para producir los PHAs. El primer grupo, donde encontramos a Cupriavidus necator, lo forman microorganismos que necesitan que precisan escasez de nutrientes y alta disponibilidad de carbono. Con respecto al segundo grupo, este no necesita de una situación de escasez, ya que son capaces de acumularlo en grandes cantidades durante su etapa de crecimiento.

GRUPO 1: Limitación de nutrientes

Para realizar un cultivo con las bacterias del primer grupo necesitamos un proceso dividido en 2 etapas: la primera de ellas tiene como objetivo obtener la biomasa necesaria para la producción, por lo que no existe limitación de nutrientes; la segunda etapa comienza una vez alcanzada la biomasa requerida, alguno de los nutrientes esenciales está limitado, promoviendo que las bacterias sinteticen el polímero (lo acumulan en gran cantidad formando esos gránulos tan llamativos).

GRUPO 2: Sin limitación de nutrientes

En el segundo grupo la estrategia que se sigue para obtener el bioplástico consiste en una única etapa, sin limitación de nutrientes. Los microorganismos disponen de ellos en grandes cantidades en el medio de cultivo, lo que les permite mejorar su rendimiento y aumentar de tamaño.

Obtención, proceso industrial

Una de las primeras empresas en tratar de producir el bioplástico en masa fue ICI, una empresa inglesa. Para el proceso de producción finalmente se decidieron por Cupriavidus necator, que lo sintetiza en dos etapas. El cultivo tiene a su disposición glucosa y fosfato limitado, suficiente para alcanzar una biomasa considerable y pasar a la segunda etapa, en la que las bacterias comienzan a almacenar el bioplástico. A la hora de recuperar el polímero empleamos metanol caliente para retirar los restos celulares (lípidos, fosfolípidos, etc.), y se extrae el PHB con cloroformo o cloruro de metileno. Por último, se filtra la mezcla, se enfría y precipita, luego es secada al vacío. 

Tras diversas pruebas, finalmente se determinó que para obtener 1g de PHB con la cepa de la bacteria empleada, eran necesarios 3g de glucosa para permitir su desarrollo y proporcionarle la fuente de carbono para formar el plástico.

Una propiedad muy importante, a parte de su relativamente sencillo proceso de obtención, es el hecho de que es un plástico completamente biodegradable. A pesar de la gran cantidad de monómeros posibles capaces de conformar los polihidroxialcanoatos, existen diversas bacterias, e incluso hongos, capaces de degradarlos bajo cualquier condición y sin generar ningún tipo de residuo tras el proceso. Mediante las reacciones de hidrólisis citadas anteriormente en las que participan las PHB depolimerasas de esos microorganismos, se produce la ruptura del bioplástico (que se emplea como fuente de energía dentro de la bacteria descomponedora). Este proceso tiene lugar a una velocidad considerable, que depende de diversos factores (pH, temperatura, dimensión del polímero, etc.).

¿NOS AGUARDA UN FUTURO CON ELLOS?

A día de hoy, tener a nuestra disposición este polímero totalmente biodegradable y que no genera residuos con su producción, nos permitiría llevar un estilo de vida mucho menos dañino para el planeta, puesto que todos aquellos problemas que encontramos con la producción y degradación de los plásticos tradicionales desaparecerían.

Presentan muchas aplicaciones y gracias a sus diversas propiedades pueden ser utilizados en campos muy diversos, como en: farmacia, industria, agricultura, medicina o incluso como materias primas. Es por ello, que tratamos de producirlo en masa y de la forma más económica posible, intentando buscar microorganismos capaces de producirlos, empleando para ello residuos de las propias industrias en algunos casos, como sustrato en el proceso de síntesis. “Biocycle”, una empresa brasileña, es una de las que empleó los residuos de su propia producción como sustrato, en el año 2001. 

Actualmente los científicos investigan a fondo la estructura molecular de la PhaC, enzima sin la cual este proceso no tendría lugar, con el fin de conseguir modificar molecularmente el bioplástico para otorgarle funciones mucho más específicas y amplias. Y aunque queda un largo camino por recorrer en cuanto a la investigación sobre estos aspectos, los PHAs nos acercarían un paso más hacia una sociedad sostenible, en la que los residuos generados sean mínimos y lo menos contaminantes posibles. Desgraciadamente, por el momento, se sigue sin poder hacer competencia al plástico tradicional, sobre todo en el ámbito económico.

BIBLIOGRAFÍA

Redactado por María Arrondo Sánchez y Carolina Amil Zamorano

INTRODUCCIÓN

La hexoquinasa es una enzima transferasa (D-hexose-6-phosphotransferase), del grupo de las quinasas, encargada de fosforilar hexosas. Sin embargo, presenta mayor afinidad por la glucosa, puesto que la Km de esta es menor que la de otras hexosas como la fructosa. Esta proteína presenta cuatro isoformas, que han ido surgiendo de forma gradual. En dicho proceso de evolución ocurren determinados cambios que son claves en la estructura y que han permitido que la hexokinasa en dos de sus isoformas se oligomerice. La estructura de la proteína va a contar con dos dominios de unión a los sustratos (glucosa y ATP) y su actividad va a estar regulada alostéricamente mediante un mecanismo de ajuste inducido provocado por la propia glucosa. 

Así mismo, esta enzima va a presentar un papel clave en el cáncer. En este artículo se abordará el normal funcionamiento de la hexokinasa así como su papel tumoral por diferentes vías, profundizando, además, en posibles estudios futuros y nuevos campos que se abren en la investigación contra el cáncer que emiten un rayo de esperanza en el estudio biomédico.

PAPEL BIOLÓGICO

La Hexokinasa participa en la primera reacción irreversible de la glucólisis, que es la primera etapa del metabolismo de la glucosa. Tras hidrolizar el ATP, transfiere el grupo fosfato a la glucosa, para dar glucosa-6-fosfato (G6P), y así manteniendo el gradiente de glucosa que permite que haya un flujo de la misma mediado por los transportadores GLUT. La G6P es un inhibidor competitivo del ATP, por tanto se trata de un fenómeno de feedback negativo, en el que el mismo producto regula alostérica y negativamente su reacción de síntesis.  Además, el grupo fosfato (Pi) liberado de la hidrólisis del ATP puede antagonizar la inhibición de G6P o sumarse al efecto inhibidor, según la isoenzima que haya llevado a cabo la reacción. 

El producto (G6P) puede seguir varias rutas o vías celulares y funcionales:

• Metabolismo catabólico: se introduce la glucosa en la glucólisis, para llevar a cabo un metabolismo oxidativo y obtener energía. 
• Metabolismo anabólico: la G6P es destinada a la vía de las pentosas fosfato, para sintetizar NAPDH y Ribulosa-5-Fosfato; o puede ser convertido a sus formas poliméricas (glucógeno), mediante la gluconeogénesis.

ESTRUCTURA

La estructura de las Hexokinasas más comunes (las isoformas I, II y III) cuenta con dos lóbulos muy similares de unos 50KDa cada uno. Algunas de ellas, como la HK I, son monoméricas, pero cuando se une a la membrana externa de la mitocondria se oligomerizan.  De esta manera, la Hexokinasa cuenta con dos dominios principales, uno regulador y otro catalítico. La estructura dimérica y por tanto cuaternaria está presente en todas las isoformas salvo en la IV, que es la más ancestral.

El dominio N-terminal se considera el dominio regulador en las isoenzimas I y II, y contiene el motivo de unión a la mitocondria. Además, está unido al dominio C-terminal (que es el dominio catalítico) a través de una hélice alfa. Ambos dominios presentan sitios de unión con la glucosa, G6P y ATP, y la inhibición de G6P en el dominio regulador se contagia al dominio catalítico por medio del contacto por la hélice alfa entre los dominios. La estructura terciaria de la hexoquinasa se basa en un plegamiento alfa/beta abierto. El dominio de unión al ATP está compuesto por cinco láminas beta y tres hélices alfa en el cual cuatro de las láminas beta son paralelas y una es antiparalela. Por otro lado, la hexoquinasa requiere de iones de magnesio para poder llevar a cabo la actividad catalítica. El magnesio (Mg2+) va a ser el cofactor de la enzima y se encuentra formando un complejo con el ATP (MgATP2-), que estabiliza la catálisis y reduce la energía de activación de la reacción.

EVOLUCIÓN

Todas las isoenzimas de la Hexokinasa provienen de una Hexokinasa de 50 kDa, susceptible a la inhibición por el producto G6P, por tanto, todas las isoenzimas presentan esta característica. A partir de la duplicación y fusión del gen que codificaba esta forma ancestral, surgieron las isoenzimas I, II y III, que ya son moléculas de 100kDa.

La isoforma más próxima evolutivamente a la Hexokinasa original es la Tipo IV, que no sufrió la duplicación y fusión génica. Una vez que esto ocurrió, la segunda isoenzima que apareció fue la Hexokinasa II, que mantiene la actividad catalítica en ambos extremos terminales de la proteína, al igual que la Hexokinasa ancestral.

Una consecuente duplicación tuvo como resultado la aparición de la isoforma III. Posteriormente, las mutaciones de genes que codificaban la Hexokinasa 100 kDa, produjeron que el extremo N-terminal se diferenciara funcionalmente, perdiendo la actividad catalítica, y adquiriendo una función reguladora (con un sitio de unión para el inhibidor G6P). Esta diferenciación dio lugar a las en las Hexokinasas I y III. 

Además, en las HK I y II, el extremo N-terminal presenta un dominio hidrofóbico que permite a estas integrarse en la membrana de la mitocondria. Concretamente, se unen a las porinas (VDAC) de la membrana mitocondrial externa, las cuales interaccionan con los ANT (Translocadores de Nucleótidos de Adenina).  Esto es esencial para el mecanismo enzimático de la HK, puesto que es el sitio de salida del ATP producto de la fosforilación oxidativa (que usará la HK), y el sitio de entrada del ADP resultante de la reacción enzimática de la hexokinasa. Por tanto, existe una coordinación entre la introducción de la glucosa al metabolismo glucolítico y las últimas etapas de este en la mitocondria (la fosforilación oxidativa), para que se den a un ritmo adecuado a las necesidades celulares. 

Hay cuatro isoenzimas de la Hexokinasa (HK) en los tejidos de mamíferos, con una estructura similar, pero expresión en diferentes tejidos:

• HEXOKINASA I (HKI)

Fundamentalmente en el cerebro, donde la tasa metabólica es muy exigente, pero expresada de manera general. 

• HEXOKINASA II (HKII)

Más limitada en su expresión, aparece en tejidos sensibles a insulina, como es el caso del tejido adiposo y el músculo esquelético. En el músculo, es necesaria una alta tasa de glucólisis, y por tanto, lo que ocurre es que esta isoforma presenta una gran afinidad por la glucosa (menor Km), para que con concentraciones muy bajas de glucosa, se alcancen altas velocidades de la enzima.

La insulina aumenta la actividad de esta isoforma, induciendo la transcripción del gen que la codifica, y de esta forma, favoreciendo la metabolización y eliminación de glucosa. Por esta razón, en los individuos con diabetes de tipo II, la expresión de la HKII se ve  reducida, acentuando la hiperglucemia.

Al igual que la isoenzima Tipo I, incluye un dominio hidrofóbico en el extremo N-terminal que permite que se inserte en la membrana externa mitocondrial, y también usa ATP intramitocondrial.  

Cabe destacar su predominancia en células tumorales, puesto que estas se caracterizan por presentar un aumento anormal del metabolismo, en el que la reacción que lleva a cabo la Hexokinasa es esencial para la obtención de energía.

• HEXOKINASA III (HKIII)

A diferencia de las dos isoenzimas anteriores, la Hexokinasa III no está unida a la mitocondria, puesto que carece del dominio hidrofóbico en el extremo N-terminal. Se piensa que se expresa en el citoplasma, o que incluso tiene una localización perinuclear, en células del hígado.

• HEXOKINASA IV (HK IV)

En hepatocitos y células beta pancreáticas, y es conocida como glucoquinasa. La G6P que produce está destinada a la síntesis de glucosa. Esto es un proceso que se lleva a cabo cuando la cantidad de sustrato (glucosa) es alta, por tanto, tiene sentido que esta isoenzima presente una mayor Km, porque necesitará altas concentraciones de glucosa para realizar la reacción a una velocidad alta.

MECANISMO

La hexoquinasa sufre un cambio conformacional que es regulado por la propia glucosa que va a ser esencial para la catálisis. En este proceso se observa que la superficie en contacto con el solvente del complejo hexoquinasa-glucosa es más pequeña que la hexoquinasa nativa.

Utilizando dicho  cambio en el área de superficie que se encuentra expuesta se ha podido estimar la contribución hidrofóbica a los cambios de energía libre tras la unión de la glucosa. De esta manera se descubre que el efecto hidrofóbico por sí solo favorece la conformación activa de la hexoquinasa en presencia y ausencia de azúcar. La estabilidad observada de la conformación inactiva de la enzima en ausencia de sustratos puede resultar de una deficiencia de interacciones complementarias dentro de la cavidad que se forma cuando los dos lóbulos se unen.

El cambio conformacional que sufre la hexoquinasa mantiene la estructura terciaria prácticamente igual excepto por un gran cambio en la orientación de los dos lóbulos. Para demostrar este cambio lo que se hizo fue superponer los carbonos alfa de cada lóbulo usando un procedimiento de mínimos cuadrados y tratando a los carbonos como cuerpos rígidos. Esta superposición mostró que cada lóbulo se comporta como un cuerpo rígido durante el cambio conformacional entre la forma nativa de la proteína y el complejo con la glucosa. 

Tal y como venimos viendo, la superficie accesible de la hexoquinasa se reduce cuando se une la glucosa para formar el complejo enzima-sustrato (ES) y se reduce aún más por el cambio a E’(inactiva)-S. Por lo tanto, se puede esperar que las fuerzas hidrofóbicas favorezcan la conformación activa en presencia de azúcar, asumiendo que todos los donantes y aceptores de enlaces de hidrógeno están satisfechos en E’-S. Sin embargo, el área superficial también se reduce cuando la conformación activa se forma en ausencia de azúcar (E’ – E). Sin embargo, debido a que hay menos de un factor de dos diferencias entre los cambios en la superficie accesible para las transiciones E-S → E’-S y E’-E, el efecto hidrofóbico no puede explicar la gran diferencia en las constantes de equilibrio conformacional K2 y K3 en presencia y ausencia de azúcar.

Otra cuestión que surge es por qué la enzima no permanece en el estado activo, E, en ausencia de ligandos sabiendo que el efecto hidrófobo, de manera individual, predice que la estructura E debería ser más estable. La respuesta a esta pregunta reside en que cuando la enzima carece de la presencia de la glucosa contiene una cavidad en la que entran las moléculas de agua y donde quedan encerradas. Además, tanto los puentes de hidrógeno como las fuerzas de Wan der Waals contribuyen muy poco a la estabilidad de la proteína y del complejo proteína-ligando. El hecho de no obtener estas interacciones complementarias dentro de la cavidad daría como resultado entalpías desfavorables causadas por la pérdida de los puentes de hidrógeno o fuerzas de Van der Waals en relación con los que se producen en la estructura abierta. También puede haber alguna pérdida de entropía traslacional al atrapar una pequeña cantidad de moléculas de agua en la cavidad.

Presuntamente, el agua misma desestabiliza la forma activa mediante la creación de interacciones favorables con la estructura abierta inactiva. Solamente el ligando correcto puede proporcionar las fuerzas de Van der Waals y los puentes de hidrógeno necesarios para que se active la estructura.

Con ello, concluimos que hay al menos dos posibles funciones para el cambio conformacional inducido por la glucosa: permitir un «mecanismo de acogida»  o proporcionar especificidad.

PAPEL BIOMÉDICO: HEXOKINASA II EN CÁNCER

El metabolismo de las células tumorales se caracteriza por una alta actividad glucolítica: metabolizan anaeróbicamente grandes cantidades de glucosa en ácido láctico, incluso en presencia de oxígeno, aumentando la velocidad de la glucólisis y de la síntesis de ATP. Esto es lo que se conoce como el efecto Warburg. Por tanto, la actividad de cualquier enzima glucolítica como la HK será esencial en un tumor. 

La Hexokinasa II aparece sobreexpresada en células tumorales, satisfaciendo estas altas velocidades de la glucólisis. La introducción de la glucosa en el metabolismo glucolítico es crucial para la producción de energía, y la síntesis de precursores de nucleótidos (derivados de glucosa) por la vía de las pentosas fosfato, destinados a la síntesis de ADN para la proliferación del tumor.

La regulación por AKT de la HKII es el factor determinante para que esta isoforma sea la esencial en el metabolismo tumoral, puesto que controla la unión de esta a la mitocondria, y con ello, fija la función de la HK, que varía en función de si aparece unida a la mitocondria o no. 

Con el objetivo de crecimiento del tumor, y cuando hay disponibilidad de nutrientes, AKT une la HKII a la mitocondria (fosforilando su residuo Thr-473), conectándola con VDAC. Esto le permite a la enzima tener un acceso privilegiado al ATP que sintetiza la mitocondria, y  la célula sigue un metabolismo de proliferación y de producción de energía, mediante la glucólisis. 

La HK II mitocondrial, además, lleva a cabo una función protectora en tumores con acceso a  nutrientes, promoviendo la supervivencia celular: inhibe a los miembros pro-apoptóticos de la familia Bcl2, e introduce la G6P en la ruta de las pentosas fosfato, cuyos productos son antioxidantes que reducen las ROS (especies reactivas de oxígeno). 

Sin embargo, en una situación de isquemia, en la que no llegan suficientes nutrientes y oxígeno a la célula, disminuye la actividad de AKT y HKII mitocondrial, aumentando la HKII citoplásmica. Entonces, esta isoforma se une a mTORC (mediante el motivo TOS), inhibiéndola, e induciendo la vía autofágica, y la conservación de energía y homeostasis en ausencia de glucosa, pensando en el “bien mayor” del tumor.

Esta regulación por AKT posibilita esta compleja acción de la HKII, que puede ser proapoptótica (HKII citoplásmica) o antiapoptótica (HKII mitocondrial), según la disponibilidad de recursos. Sin embargo, AKT no regula la HKI, ya que esta no presenta una secuencia de consenso para esta enzima, y por ello, esta isoenzima no se encuentra prevalentemente en tumores. Además, la HKI no puede satisfacer la alta demanda energética, al perder la actividad catalítica en el extremo N-terminal.

Según todas las vías beneficiosas para el tumor mencionadas anteriormente en las que participa la HKII, la eliminación de esta isoforma perjudicaría a la progresión del tumor, por lo tanto, es un frente esperanzador en terapias oncogénicas. Lo ideal sería encontrar un modo de inhibir únicamente esta isoforma, pero es difícil puesto que todas ellas son bastante similares.

La inhibición de la HKII en células cancerosas puede darse por p53, o por un sustrato análogo a la glucosa, la 2-desoxiglucosa, que favorece la apoptosis. Una combinación de estos dos factores podría ser favorecedora. Otro posible campo a investigar sería la inhibición de la HKII por fosfato inorgánico, que sensibiliza la inhibición por G6P en esta, pero la antagoniza en HKI. Incluso, una alternativa más podría ser el uso de determinados péptidos que desplazaran la HKII de la mitocondria. Este desplazamiento parece producir un aumento de la concentración de Ca2+ citosólica, lo que abriría poros en la membrana mitocondrial e induciría a la célula a apoptosis.

BIBLIOGRAFÍA

Anja Schindler, Edan Foley (2013). Hexokinase 1 blocks apoptotic signals at the mitochondria. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0898656813002726 

Annette Rempel, Saroj P. Mathupala, Constance A. Griffin, Anita L. Hawkins, Peter L. Pedersen (1996); Glucose Catabolism in Cancer Cells: Amplification of the Gene Encoding Type II Hexokinase1. Cancer Res 1. https://aacrjournals.org/cancerres/article/56/11/2468/502209/Glucose-Catabolism-in-Cancer-Cells-Amplification 

Bennett, W. S., & Steitz, T. A. (1978). Glucose-induced conformational change in yeast hexokinase. Proceedings of the National Academy of Sciences, 75(10), 4848-4852. https://www.pnas.org/doi/abs/10.1073/pnas.75.10.4848 

Ciscato, F. (2021.). Hexokinase 2 in Cancer: A Prima Donna Playing Multiple Characters. MDPI. https://www.mdpi.com/1422-0067/22/9/4716 

Gahr, M. (1980). Isoelectric Focusing of Hexokinase and Glucose-6-Phosphate Dehydrogenase Isoenzymes in Erythrocytes of Newborn Infants and Adults. British Journal of Haematology, 46(4), 529-535. https://doi.org/10.1111/j.1365-2141.1980.tb06009.x

Haruhiko Osawa, Calum Sutherland, R. Brooks Robey, Richard L. Printz, Daryl K. Granner (1996). Analysis of the Signaling Pathway Involved in the Regulation of Hexokinase II Gene Transcription by Insulin. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S002192581831932X

John E. Wilson (2003); Isozymes of mammalian hexokinase: structure, subcellular localization and metabolic function. J Exp Biol 15 ; 206 (12): 2049–2057. https://journals.biologists.com/jeb/article/206/12/2049/9262/Isozymes-of-mammalian-hexokinase-structure 

Mulichak, A., Wilson, J., Padmanabhan, K. et a (1998)l. The structure of mammalian hexokinase-1. Nat Struct Mol Biol 5, 555–560. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/9665168/

Pastorino, J. G. (2008). Regulation of hexokinase binding to VDAC. SpringerLink. https://link.springer.com/article/10.1007/s10863-008-9148-8?error=cookies_not_supported&code=334cd9ac-6023-4e88-a330-afab2ff91f76 

Patrona, K. C., & Hay, N. (2013). Hexokinase 2 as oncotarget. Oncotarget, 4(11), 1862–1863. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3875752/ 

R.L. Printz, S. Koch, L.R. Potter, R.M. O’Doherty, J.J. Tiesinga, S. Moritz, D.K. Granner (1993). Hexokinase II mRNA and gene structure, regulation by insulin, and evolution. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0021925818535213 

R.L. Printz, S. Koch, L.R. Potter, R.M. O’Doherty, J.J. Tiesinga, S. Moritz, D.K. Granner (1993). Hexokinase II mRNA and gene structure, regulation by insulin, and evolution. Journal of Biological Chemistry. Volume 268, Issue 7 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0021925818535213 

Reference for PDB-101: PDB-101: Educational resources supporting molecular explorations through biology and medicine. Christine Zardecki, Shuchismita Dutta, David S. Goodsell, Robert Lowe, Maria Voigt, Stephen K. Burley. (2022) Protein Science 31: 129-140 doi:10.1002/pro.4200

Reference for RCSB PDB: The Protein Data Bank H.M. Berman, J. Westbrook, Z. Feng, G. Gilliland, T.N. Bhat, H. Weissig, I.N. Shindyalov, P.E. Bourne (2000) Nucleic Acids Research, 28: 235-242. doi:10.1093/nar/28.1.235

Rempel, A., Mathupala, S. P., Griffin, C. A., Hawkins, A. L., & Pedersen, P. L. (1996). Glucose Catabolism in Cancer Cells: Amplification of the Gene Encoding Type II Hexokinase1. American Association for Cancer Research. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/11557773/

Roberts, D., Miyamoto, S. (2015) Hexokinase II integrates energy metabolism and cellular protection: Akting on mitochondria and TORCing to autophagy. Cell Death Differ 22, 248–257. https://www.nature.com/articles/cdd2014173 

UCSF ChimeraX: Meeting modern challenges in visualization and analysis. Goddard TD, Huang CC, Meng EC, Pettersen EF, Couch GS, Morris JH, Ferrin TE. Protein Sci. 2018 Jan;27(1):14-25.

UCSF ChimeraX: Structure visualization for researchers, educators, and developers. Pettersen EF, Goddard TD, Huang CC, Meng EC, Couch GS, Croll TI, Morris JH, Ferrin TE. Protein Sci. 2021 Jan;30(1):70-82.

Zawacka-Pankau, Joanna & Grinkevich, Vera & Hünten, Sabine & Nikulenkov, Fedor & Gluch, Angela & Li, Hai & Enge, Martin & Kel, Alexander & Selivanova, Galina. (2011). Inhibition of glycolytic enzymes mediated by pharmacologically activated p53: Targeting Warburg effect to fight cancer. https://www.researchgate.net/publication/51591216_Inhibition_of_glycolytic_enzymes_mediated_by_pharmacologically_activated_p53_Targeting_Warburg_effect_to_fight_cancer

Redactado por María Arranz Burón.

INTRODUCCIÓN 

La Piruvato quinasa (PK) es una enzima que se encuentra al final de la ruta metabólica conocida como glucólisis y su función es permitir la salida del piruvato a la siguiente vía metabólica con el fin de obtener energía. Para entender la relevancia de esta molécula, quizás es conveniente explicar de forma concisa el recientemente popular término, conocido como “metabolismo”.  

El metabolismo, al que hacen referencia desde dietistas y entrenadores hasta profesores de bioquímica, es quizás un proceso que para el ciudadano de a pie resulta abstracto en su relación con la ingesta de comida. Brevemente, se trata de un conjunto de reacciones que consisten en tomar una molécula grande (glucosa) con alto potencial energético y dividirla en paquetes más pequeños (piruvatos, en el caso de la glucólisis) con el fin de distribuir la energía por los distintos sistemas celulares y permitir que los organismos vivos se sigan considerando como tales. Esa glucosa, llega a las células por medio de la alimentación y se convierte en energía química útil mediante las distintas rutas metabólicas. De modo, que el correcto funcionamiento de la PK, es fundamental para que estos pequeños paquetes se introduzcan en la siguiente ruta metabólica (el ciclo de Krebs) que se encargará de distribuir la energía.  De hecho, modificaciones de esta molécula podrían degenerar en condiciones tan serias como el Cáncer o el Alzheimer, dado que impediría que la energía alcanzase los destinos pertinentes. 

PAPEL BIOLÓGICO 

El rol que asume la PK a nivel biológico se traduce a la función que tiene por ejemplo el personal de seguridad a la entrada de un museo. Éste, en caso de que el turista no presente ninguna irregularidad (posesión de armas, comida, etc), procede a concederle la entrada al establecimiento; del mismo modo la PK permite el acceso al piruvato a la siguiente ruta, siempre que no suponga una amenaza contra el correcto funcionamiento de la célula. Al tratarse la PK de una quinasa, esto la convierte en una molécula con la capacidad de fosforilar (añadir grupos fosfato a otras moléculas). De modo que para concederle el acceso a la siguiente ruta, la PK retira los fosfatos de las triosas procedentes de la glucosa y los añade a moléculas de ADP, dando lugar a ATP (que es una molécula que transporta energía). Como resultado de este proceso, se sintetizan dos piruvatos, a los que finalmente les será concedido el acceso al ciclo de Krebs. 

La PK en humanos, aparte de la función biológica general descrita anteriormente, también tiene una serie de isoformas cuya función e importancia biomédica es más específica. Las cuatro isoformas de la PK (PKM, PKK, PKR, PKL) fueron descubiertas en 1965 y reciben su nombre a partir del nombre tejido donde se encuentra cada una. La PKM (actualmente denotada como PKM1) se encuentra en los tejidos musculares (muscle, M) del corazón y en el cerebro, la PKK (actualmente denotada como PKM2) se encuentra en los tejidos de los riñones (kidneys, K), el intestino y las células cancerosas; la PKR en el tejido sanguíneo (red blood cells, R) y la PKL en el tejido del hígado (liver, L) y en los riñones también. La diferenciación (que ocurre tras la fase fetal, ya que todas provienen de la isoforma PKM2) favorece la aparición de patologías mucho más especializadas debido a ligeros cambios en la conformación proteica. 

ESTRUCTURA Y CÓMO FUNCIONA 

• Desglose estructural 

Para entender el papel que desempeña la PK es fundamental comprender su estructura, dado que de ésta dependerá el funcionamiento de la misma. ¿Qué constituye a la PK? La piruvato quinasa es una proteína conformada por 531 aminoácidos que dan lugar a un tetrámero, cuyas cuatro subunidades son iguales. Éstos están organizados en motivos de hélices alfa, láminas beta y bucles.  

Estas subunidades se organizan a su vez en tres grandes dominios rotulados como A, B y C junto con un dominio N-terminal. El dominio A está conformado por un barril TIM α₈/β₈ cuyo centro activo se ubica entre el dominio A y el B, éste es además el dominio más grande de la subunidad. El dominio B sin embargo es móvil y bloquea el centro activo una vez que se le une el sustrato ADP-Mg²⁺. Finalmente, el dominio C contiene la fructosa-1,6-bifosfato (FBP) que es un potente activador alostérico.  

Esto significa, que a través de la unión de la FBP al dominio C, se facilitará la unión del fosfoenolpiruvato (PEP) que es fundamental para la regulación de la actividad de la PK, ya que ésta depende de la afinidad con el PEP. En ausencia de activadores alostéricos como la FBP, la PK tiene poca afinidad con el PEP. O sea, si la PK fuera un niño pequeño y su voluntad para realizar los deberes fuera análoga a la actividad de la quinasa, éste necesitaría una motivación para realizarlos. Si se impone la condición de recibir un caramelo a cambio de la tarea, éste cumplirá. De igual forma si la PK presenta la FBP unida al dominio C, ésta aumentará su afinidad a la PEP alterando su actividad. Además, la unión de FBP estabiliza la molécula en estado activo y promueve la tetramerización. Cabe destacar, que todas las isoformas de la PK se unen con la FBP exceptuando la PKM1 que debido a una discrepancia estructural es suficientemente estable por si sola (siendo además insensible a los moduladores alostéricos) y no presenta ni la región de unión a la FBP ni el interfaz dímero-dímero debido a éstas se expresan en los exones específicos de las isoformas. 

Otro detalle que cabe mencionar de la estructura de la PK es su capacidad de unión a cofactores (K⁺ y Mg ²⁺) cuya intervención en la activación de la molécula es esencial. En el caso del Mg ²⁺, se ha mencionado que está involucrado en bloquear el acceso al centro de activo (gracias al cambio conformacional que desplaza al dominio B) cuando éste forma un complejo de sustrato al unirse al ADP (formando el sustrato ADP-Mg²+). En el caso del K⁺ sin embargo, se ha observado que ante su presencia, el mecanismo cinético de la PK se mantiene desordenado (forma natural), esto supone que favorece la forma activa de la PK y permite que se unan el PEP o el complejo ADP-Mg²⁺ de forma independiente (mecanismo aleatorio). En ausencia de K+, por el contrario, el ADP no se pude unir al centro activo hasta que el PEP no haya terminado de formar un centro activo completamente funcional. De forma, que se deduce que el K⁺ es el encargado de inducir el cierre del centro activo y de que los residuos encargados de la unión al nucleótido adopten la conformación correspondiente. 

• Función ¿Qué hace?

Entonces, ¿Qué función tiene? Una vez conocida la estructura, es posible dilucidar qué función lleva a cabo, y cómo. La función catalítica de la PK consiste en fosforilar moléculas, debido a su condición de quinasa; en concreto, moléculas de ADP a partir de moléculas de PEP de la etapa anterior de la glucólisis. Todo ello para dar lugar a dos productos. Por un lado, piruvatos estables a partir de sus precursores PEP y por otro, obtener energía en forma de moléculas de ATP a través de la fosforilación del ADP. De modo, que el nombre surge del producto (piruvato) + tipo de enzima (quinasa). Para ello, al centro activo del dominio A se unen el PEP y el complejo ADP-Mg²⁺ dado que los cationes de Mg²⁺ median y facilitan la transferencia del grupo fosfato del PEP al ADP dando lugar al ATP y a los piruvatos. Todo ello es posible debido a la alta energía que libera PEP al ser hidrolizada. Al perder el fosfato, el PEP pasa a su forma de enolpiruvato que es menos estable, de modo que se llevará a cabo un proceso de tautomerización que consiste en que el enolpiruvato acepte un protón procedente de una molécula de agua convirtiéndose así en un piruvato estable y favoreciendo la fosforilación del ADP. 

En cuanto a la capacidad alostérica de la PK, aparte de la FBP, que favorece la unión del sustrato PEP, hay otras moléculas que alteran la actividad de la enzima. Por ejemplo, un inhibidor alostérico de esta enzima (PKM1,  PKM2) sería la fenilalanina (Phe) cuya unión supone la disminución de afinidad con la PEP mediante la estabilización de la estructura inactiva de la PK. El lugar de unión de Phe también puede albergar a la alanina que actúa como inhibidor, pero solo ante la isoforma PKM2, y esto lo lleva a cabo favoreciendo la conformación dimérica, contraria a la tetramérica a la que se une FBP. A pesar de que en presencia de concentraciones normales de FBP la inhibición de la alanina queda mitigada. La serina sin embargo, también puede ocupar este centro de unión, pero con función activadora no inhibidora, en la PKM2. Dejando a un lado los aminoácidos, hormonas ,como la hormona tiroidea triyodo-L-tironina (T3), actúan también como inhibidor alostérico favoreciendo la conformación monomérica inactiva de la PK. Mientras que el oxalato puede actuar como activador de la PK mediante su interacción con el centro activo por ser análogo al enolpiruvato, en caso de que la concentración de PEP sea baja. 

¿PORQUÉ PODRÍA ACABAR CONTIGO?

• EL PELIGRO RESIDE EN LA ISOFORMA 

Las isoformas de una proteína son proteínas que provienen del mismo gen que la proteína original, dicho gen se duplica y comienza a acumular mutaciones para dar lugar a las distintas isoformas. En el caso de la PK, tras este proceso de duplicación y modificación  por mutaciones se han obtenido 4 isoformas distintas: PKM1, PKM2, PKR y PKL. La importancia de las isoformas recae en que a pesar de realizar la misma función que la proteína inicial, cada una presenta ligeramente distintas: propiedades cinéticas, estructurales, de regulación o de localización en la célula. Estas ligeras diferencias atienden a las necesidades metabólicas del tejido al que pertenecen. O sea, las modificaciones que sufra PKL (L hace referencia a liver, hígado en inglés) afectarán en principio al hígado dado que la estructura de la PKL ha resultado ser la más eficaz a la hora de catalizar las reacciones que precisa este órgano. A pesar de esto, existe una isoforma que destaca en su implicación en numerosas patologías inflamatorias (como la Sepsis, IBD o Arterosclerosis) o enfermedades como el Cáncer o el Alzheimer. Ésta es la PKM2. 

• PKM2 Y UN COMPENDIO DE LO QUE PUEDE SALIR MAL 

• PKM2 en el Cáncer  

Ante el desarrollo de células neoplásicas, la PKM2 tiene un comportamiento que podría clasificarse como moonlighting. Esto se debe a que en condiciones normales la PK transforma PEP en piruvato y este sigue la ruta metabólica normal hacia el ciclo de Krebs, mientras que, ante una situación de estrés, como puede ser el desarrollo de células cancerígenas, ésta altera su forma tetramérica natural y pasa a su forma dimérica. Al dimerizarse  mediante la fosforilación de su tirosina 105 la proteína deja de realizar su función natural y divierte el proceso de la glucólisis hacia la síntesis de metabolitos necesarios para la síntesis de serina. Esto se debe a que dicho aminácido regula a mTORC1 ( mammalian target of rapamacyn complex 1), que es fundamental para favorecer la proliferación celular, característica de las células cancerígenas. Otra de las modificaciones que sufre, es la acetilación de su lisina 305, junto con la oxidación de su cisteína 358 que provoca una alteración en la ruta de la glucólisis haca la PPP (pentose phosphate pathway, vía de la pentosa fosfato) que favorece la síntesis de nucleótidos para sufragar los efectos de la interrupción de la ruta glucolítica.  

Estas modificaciones de la PK se conocen como el efecto Warburg o Glucólisis Aeróbica. El efecto Warburg supone que las células cancerígenas conviertan el piruvato en lactato, disminuyendo su producción de ATP. La disminución de síntesis de ATP se soluciona mediante los procesos mencionados anteriormente, mientras que el aumento de lactato supone la aparición de un ambiente tumorigénico dado que es excretado, reduciendo así el pH extracelular (esto favorece las condiciones para la proliferación celular) y provocando inflamación. El aumento de lactato también se utiliza para acceder a un recurso de energía alternativo, como es la glutamina. Esto es posible, dado que se disminuye la entrada de piruvato en el ciclo de Krebs, por lo que comienzan a introducirse metabolitos de glutamina en su lugar y aumenta por lo tanto la síntesis de lípidos y aminoácidos. Finalmente, la PKM2 es translocada al núcleo donde se une a HIF1-α (hypoxia-inducible factor-1 alfa) promoviendo la transactivación de HIF1 que favorece la aparición de un ambiente tumorigénico y la desviación de la glucólisis hacia la vía de la pentosa fosfato.  

• PKM2 en el Alzheimer 

Debido a que el origen y funcionamiento del Alzheimer todavía no se ha esclarecido, se están explorando nuevas vías de investigación. Entre ellas, destacan factores como el estrés oxidativo, fallos en el transporte y metabolismo de la glucosa, y la inflamación. Dado que la piruvato quinasa juega un papel central en el metabolismo de la glucosa, su función se ve afectada por la enfermedad. Como consecuencia de la alteración de la ruta metabólica de la glucosa (debida a la acumulación de β-amiloides), se da la inactivación HIF1-α lo que supone que la PKM2 en dímero no puede unirse a ella, quedando inhibida. Otra forma en la que la PKM2 queda inhibida (en presencia de esta enfermedad) es mediante la inactivación o la regulación insuficiente de PPIasa (peptidil-prolil cis-trans-isomerasa) o la elevada concentración de ROS (especies reactivas de oxígeno), ya que ambas impiden la translocación de la PKM2 al núcleo, y consecuentemente esta no se une a HIF1-α, dando lugar en este caso a un desequilibrio en el metabolismo mediante una cascada de PEP. Respecto al papel de la PKM2 en la respuesta inflamatoria, la PKM2 regula la respuesta de los macrófagos, que son esenciales a la hora de retirar los amiloides para evitar la formación de placas. Esto se debe a que ante la inflamación, los macrófagos adoptan un fenotipo que favorece la síntesis de ATP y se ha observado que algunos incluso activan la Glucólisis Aeróbica (efecto Warburg), que se da cuando hay una sobreactivación de la PKM2. La Glucólisis Aeróbica mediada por PKM2 también promueve la activación de inflamasomas mediante la fosforilación de EIF2AK2 (factor 2 de iniciación de traducción de la α quinasa 2). Por otro lado, mediante la interacción con HIF1-α se promueve la transcripción de genes que activan la glucólisis en macrófagos. Finalmente, la PKM2 también es responsable de la glucólisis de la α-sinucleína que es una proteína presináptica asociada a la fisiopatología del Alzheimer. 

• PKM2 en diversas enfermedades inflamatorias 

La respuesta inflamatoria, como se ha expuesto en los dos casos anteriores, requiere de un alto consumo de energía. Células del sistema inmune, como los macrófagos, activan mecanismos similares al denominado efecto Warburg en el cáncer para aumentar la síntesis de energía y poder responder de manera eficaz. Esto está íntimamente relacionado con la glucólisis por lo que la implicación de la PK es crucial. En el caso de la Sepsis la implicación de la PKM2 en la glucólisis anaeróbica que adoptan las células bajo la patología supone un perjuicio para la supervivencia del individuo. Esto se ha observado tras inhibir su actividad comprobando que de este modo también quedaban inhibidas moléculas como el inflamasoma NLRP3 y HMGB1 (proteína de alta movilidad del grupo 1) cuya represión favorece la supervivencia del individuo. En el caso de la Arterosclerosis se ha observado que la inhibición de PKM2 en linfocitos B y T favorece la atenuación de la inflamación. Esto está unido a que parte de los productos que se sintetizan durante la glucólisis aeróbica (adoptada por las células del sistema inmune bajo condiciones de estrés) producen inflamación como se expone en la segunda imagen de la PKM2 en el cáncer. Incluso en la IBD (enfermedad inflamatoria de Bowel) la PKM2 se está valorando como posible bioindicador de la enfermedad según estudios recientes. Una vez más, la supresión de la PKM2 favoreció el control sobre la inflamación ya que en su versión nuclear dimérica contribuye a la adaptación de las necesidades metabólicas de los linfocitos. Esto significa que la presencia (en muestras) de esta proteína en estado dimérico podría ayudar a identificar la enfermedad. También cabe mencionar, que se ha observado que la PKM2 regula a Bcl-xL impidiendo la apoptosis de las células del epitelio intestinal.

• REFERENCIAS 

Boutet E, Lieberherr D, Tognolli M, Schneider M, Bairoch A.
UniProtKB/Swiss-Prot
Methods Mol. Biol. 406:89-112 (2007)

Encyclopedia of Cancer (Second Edition)2002Pages 535-547 Paschal A. Oude Weernink Gerard E. J. Stoal Gert Rijksen

February 2004, David Goodsell 

doi:10.2210/rcsb_pdb/mom_2004_2

Israelsen, W. J., & Vander Heiden, M. G. (2015). Pyruvate kinase: Function, regulation and role in cancer. Seminars in cell & developmental biology, 43, 43–51. https://doi.org/10.1016/j.semcdb.2015.08.004

June 2022, Faiza Ahmed, Jonathan Ash, Thirth Patel, Auriel Sanders, David Goodsell, Shuchismita Dutta 

doi:10.2210/rcsb_pdb/mom_2022_6

Oria-Hernández, J., Cabrera, N., Pérez-Montfort, R., & Ramírez-Silva, L. (2005). Pyruvate kinase revisited: the activating effect of K+. The Journal of biological chemistry, 280(45), 37924–37929. https://doi.org/10.1074/jbc.M508490200

Patel, S., Das, A., Meshram, P., Sharma, A., Chowdhury, A., Jariyal, H., … & Shard, A. (2021). Pyruvate kinase M2 in chronic inflammations: a potpourri of crucial protein–protein interactions. Cell Biology and Toxicology, 37(5), 653-678.

The RCSB PDB «Molecule of the Month»: Inspiring a Molecular View of Biology D.S. Goodsell, S. Dutta, C. Zardecki, M. Voigt, H.M. Berman, S.K. Burley (2015) PLoS Biol 13(5): e1002140. doi: 10.1371/journal.pbio.1002140

Yang, L., Venneti, S., & Nagrath, D. (2017). Glutaminolysis: a hallmark of cancer metabolism. Annual review of biomedical engineering, 19, 163-194.

Por: Aitor Gil Iglesias, Milagros González Flores y Álvaro Mellado Cuesta

1.Introducción

Seguramente todos nosotros hemos leído que el actor Chris Hemsworth, más conocido como Thor en su papel dentro de la saga de Marvel, ha decidido retirarse del cine temporalmente al haber descubierto que tiene muchas posibilidades de desarrollar Alzheimer. Este hallazgo fue conocido por el actor cuando se encontraba rodando el documental “Limitless” para National Geographic al realizarse una prueba genética por la cual trataba de estudiar cómo su físico se vería afectado con el paso de los años. Sin embargo, estos estudios, que en un primer momento trataron de analizar el estado físico del actor, acabaron revelando la posibilidad de desarrollar Alzheimer al presentar dos copias del gen ApoE4 que hace que su riesgo de padecerla sea entre 8 y 10 veces más. Ahora bien, ¿qué es el Alzheimer y por qué es tan importante este gen en su desarrollo?

2.-¿Qué es el Alzheimer?

El Alzheimer (EA) es una enfermedad neurodegenerativa lentamente progresiva que se caracteriza por la pérdida de memoria de manera gradual. En ella también se describen otros síntomas como demencia irreversible y afectación global del resto de las funciones cognitivas (pensar, razonar…) que conllevan a un deterioro progresivo y que afectan al funcionamiento laboral y social.

Cabe destacar que la progresión de la enfermedad a nivel cerebral es la misma en todos los pacientes. Comienza en el neocórtex basal temporal, avanza hacia el hipocampo y se extiende por todo el neocórtex. 

La mayoría de los casos aparecen a partir de los 70 años (“late onset”) , aunque puede haber una aparición temprana en menores de 60 (“early onset”). Afecta a alrededor de 50 millones de personas en el mundo y el principal factor de riesgo es la edad. 

La early onset es autosómica dominante y hereditaria y, aunque la mayoría suceden como consecuencia de mutaciones esporádicas sobre el gen de la apolipoproteína (APOE, cromosoma 19), otros casos se deben a mutaciones en los genes que codifican para la proteína precursora amiloide (APP, cromosoma 21, por ello, las personas con Síndrome de Down, trisomía del 21, son más propensos a desarrollar la enfermedad de Alzheimer), para la presenilina 1 (PSEN1, cromosoma 14) y para la presenilina 2 (PSEN2, cromosoma 1).  

No obstante, algunos otros factores de riesgo que podrían estar implicados son las enfermedades vasculares, infecciones, factores ambientales y lesiones encefálicas.

3.Etiopatología

Bioquímicamente, esta enfermedad se produce como consecuencia de dos elementos neuropatológicos: las placas seniles o placas Aβ y los ovillos neurofibrilares (NFT), esenciales para entender cómo se desarrolla el Alzheimer.

3.1.-¿Qué son las placas seniles?

Estas consisten en acumulaciones extracelulares de la proteína beta-amiloide (Aβ) anómala que en principio no es tóxica pero que se agrega con otras proteínas beta-amiloide anómalas hasta formar oligómeros tóxicos que precipitan y se depositan como placas amiloides insolubles y que son realmente tóxicas.

Su síntesis tiene lugar por medio de la proteína precursora amiloidea (APP) cuyo gen se encuentra localizado en el cromosoma 21. Esta, es una proteína transmembrana que contiene una región amino-terminal extracelular larga y una región carboxilo terminal intracelular más corta que se sintetiza en el retículo endoplasmático, se glicosila en el aparato de Golgi  y por medio de vesículas se inserta en la membrana celular. 

Una vez en la membrana celular, esta proteína puede ser procesada fisiológicamente por medio de dos vías:

1. Vía no amiloidogénica (90% de los casos): por medio de esta vía, la proteína APP es escindida por la enzima α-secretasa en un fragmento extracelular soluble neuroprotector (SAPPα, Soluble APPα) compuesto por 665 aminoácidos. Posteriormente la región no escindida que ha quedado insertada en la membrana, es procesada por la enzima γ-secretasa, quien se encarga de liberar la región C-terminal para posteriormente poder ser degradada. De esta manera, se libera al medio extracelular un péptido de 36-40 aminoácidos denominado P3, que no es neuroprotector, pero tampoco patógeno. El fragmento restante C-terminal se desprende hacia el citosol y se denomina AICD (Amyloid Intracellular Domain), que se degrada enseguida. Este proceso es constitutivo (APP tiene una vida media de 1h) y fundamental para el funcionamiento neuronal.
2. Vía amiloidogénica (10% de los casos): por medio de esta vía, la enzima β-secretasa o BACE libera un fragmento N-terminal de la proteína APP (SAPPβ) que no es neuroprotector. Posteriormente, el péptido que queda en la membrana será procesado por la enzima γ-secretasa dando lugar a diferentes péptidos que presentan diferentes solubilidades: el péptido Aβ (42 aá) y el AICD, que tiene un tiempo de vida mayor, va al núcleo y favorece la transcripción de genes como la propia APP, GSK3 (Ser/Thr kinasa), BACE, NEP (nefrilisina) y LRP1 (lipoprotein receptor-related protein 1).

Los péptidos más comúnmente formados en la vía amiloidogénica son los péptidos Aβ40, los cuales presentan una estructura en forma de hélice alfa que puede ser fácilmente degradada. Sin embargo, en situaciones patológicas predomina la síntesis del péptido Aβ42 y Aβ43, los cuales son mucho más insolubles, tienden a formar láminas β y a interaccionar entre ellos formando fibrillas que pueden acumularse y formar placas extracelulares amiloides insolubles que se diseminarán por otras estructuras como el hipocampo, la amígdala y la corteza cerebral resultando realmente dañinas.

Ahora bien, ¿por qué es tan importante Aβ? 

De manera normal, esta proteína se encarga de modular la transmisión del impulso eléctrico entre las neuronas, por lo que, un mal funcionamiento o no funcionamiento supondría la pérdida de la comunicación neuronal, es decir, una pérdida de sinapsis. Esto se debe a que puede alterar la actividad de quinasas, producir señales de estrés oxidativo, daños mitocondriales e incluso defectos en el transporte axonal que son los que finalmente conducen a una degeneración neuronal. Todo ello es lo que acabaría produciendo en estos pacientes una gran deficiencia cognitiva.

Además, Aβ en bajas concentraciones es quelante de metales, mejora la memoria y el aprendizaje, es antioxidante, interviene en el mantenimiento de la barrera hematoencefálica etc.

Esta acumulación de Aβ anómala en condiciones patológicas, en las que no solo se incluye el Alzheimer, es como consecuencia de las mutaciones en algunos genes como APP, PSEN1 (proteína que se encarga de activar el complejo de la  γ-secretasa) y PSEN2 (poco frecuentes), los cuales, afectan al catabolismo y anabolismo de Aβ y como consecuencia producen una rápida progresión de neurodegeneración. 

Concretamente, dichas mutaciones afectan al procesamiento alternativo de APP, y como consecuencia se generan fundamentalmente proteínas Aβ truncadas, Aβ42 y Aβ43. Estas presentan residuos poco polares que tienden a apilarse en paralelo induciendo a un plegamiento incorrecto de las láminas beta las cuales, son muy insolubles y al no ser reconocidas por los sistemas de degradación acaban precipitando para formar fibrillas amiloides que generan una gran neurotoxicidad.

3.2-¿Qué son los ovillos neurofibrilares (NFT)?

Son lesiones de tipo intracelular formadas por filamentos helicoidales emparejados (PHF) que se producen como consecuencia de la hiperfosforilación de las proteínas Tau y que puede deberse a la aparición de proteínas Aβ, al estrés oxidativo o a mediadores inflamatorios. La formación de estos ovillos producen muerte neuronal por apoptosis.

Estas proteínas se encuentran de manera mayoritaria en neuronas y células de la Glía y son esenciales para promover el ensamblaje de los microtúbulos neuronales así como para mantener la integridad estructural neuronal y por tanto para permitir el crecimiento de los axones y el transporte axonal. Concretamente, la proteína Tau se encarga de facilitar la polimerización de la tubulina para permitir que se formen los microtúbulos.

El gen que codifica para la proteína Tau,  localizado en el gen 17, contiene 16 exones y en el cerebro adulto sufre diferentes tipos de empalme alternativo en los exones 2, 3 y 10 originando finalmente 6 isoformas de Tau. Estas isoformas contienen entre 3-4 repeticiones peptídicas de 31-32 residuos en la región carboxilo terminal que se corresponde con el dominio de unión a los microtúbulos. Así mismo, el estado de fosforilación del gen varía durante el desarrollo y es lo que conduce a un cambio en el empalme del ARN. 

Tau en el embrión aparece fosforilada, pero en adultos está muy poco fosforilada. Se puede fosforilar por más de 80 sitios Ser/Thr y 5 de Tyr, gracias a GSK-3, PKA, la cuales son Ser/Thrk o Fyn (TyrK). En la enfermedad de Alzheimer, está hiperfosforilada.

Además, cuando Tau está fosforilada cambia de localización y, en lugar de localizarse preferentemente en los axones, se dirige hacia las dendritas y se lleva a Fyn secuestrada consigo. Fyn fosforila a receptores de glutamato (Glu) (receptores NMDA sobre todo) lo que producirá una muerte neuronal por sobreexcitación.

De esta manera, y dado la importancia de la fosforilación en este gen, se ha podido observar que en los procesos de neurodegeneración Tau sufre una fosforilación anormal irreversible que impide su función normal y su agregación. Como consecuencia, no puede unirse correctamente a los microtúbulos y todo ello junto con la formación de las fibrillas por su agregación, impiden que la neurona pueda transmitir señales eléctricas. Además todo ello favorece un mal transporte axonal de nutrientes, lo cual contribuye a la degeneración sináptica y a la muerte neuronal.

Además, parece ser que, una vez Tau está fosforilada y ha perdido su estructura, se empieza a transmitir de unas neuronas a otras, induciendo el cambio conformacional patológico en proteínas Tau normales por contacto (como los priones). Gracias a ello, la enfermedad puede propagarse y afectar a diferentes estructuras.

4.-¿Qué es la ApoE?

La ApoE es una proteína de 299 aminoácidos, que está dentro del grupo de las apolipoproteínas, las cuales están implicadas en el metabolismo de los lípidos (forman las lipoproteínas), siendo la ApoE la única que encontramos en el cerebro.

En la ApoE hay varios dominios de unión a destacar, como por ejemplo el de unión a lípidos, al receptor, a heparina o la región bisagra. Todos ellos con gran importancia en las funciones de la ApoE como veremos a continuación.

Sin embargo, el interés reciente hacia la ApoE no es por su papel en el metabolismo de los lípidos, sino por su relación con el péptido Aβ y la proteína Tau, ambos implicados en el inicio y avance de la enfermedad de Alzheimer.

4.1- Relación ApoE – péptido Aβ

La ApoE es sintetizada por astrocitos y la microglía, debido a la alta importancia de los lípidos para el desarrollo y mantenimiento de las neuronas, pero, ¿cuál es su función dentro del metabolismo de lípidos? ¿y que nexo tiene esto con el péptido Aβ y la enfermedad de Alzheimer?

FUNCIÓN DE LA ApoE

La ApoE se encuentra circulando por la matriz extracelular nerviosa, y es ahí dónde se une al colesterol, que proviene del interior de las células nerviosas (sale a través de transportadores de la familia ABC), y ambos forman lipoproteína discoidal. Esta se une a recetores celulares para lipoproteínas (LRP1 principalmente) y entra en las células por endocitosis mediada por receptor. Ya en el interior, esta lipoproteína entra en el metabolismo de los lípidos.

Sin embargo, lo más interesante de esto es que el péptido Aβ es capaz de unirse a la ApoE circulante (a su dominio de unión a heparina concretamente), formando una molécula que es capaz de entrar en las células al igual que la lipoproteína que hemos mencionado antes (endocitosis mediada por LRP1).

Una vez dentro, el endosoma donde está la molécula ApoE-péptido Aβ se fusiona con lisosomas, y esto hace que por aumento del pH y acción de proteasas lisosomales ApoE y el péptido Aβ se separen. El destino de cada uno es bien distinto:

• ApoE queda en una vesícula que se fusionará con la membrana plasmática, permitiendo que salga al exterior y se recicle.
• El péptido Aβ es sustrato para proteasas lisosomales, por lo que acaba siendo degradado.

Pero yendo más allá, lo que más ha despertado el interés científico de todo esto y lo que está relacionado con el caso concreto de Chris Hemsworth son las distintas isoformas de ApoE que aparecen en las poblaciones, cada una de ellas con un papel distinto en la predisposición a sufrir Alzheimer.

4.2- Isoformas de ApoE y su importancia en el Alzheimer

Hay 3 isoformas de la ApoE, las cuales sólo se diferencian en los residuos 112 y 158:

• ApoE2: posee cisteínas (en 112 y 158). Se la considera «protectora» frente a la enfermedad de Alzherimer. Se cree que su eliminación del péptido Aβ es más eficaz.
• ApoE3: posee cisteína (en 112) y arginina (en 158). Es la isoforma mayoritaria en la población y se considera que su papel es neutro frente a la enfermedad de Alzheimer.
• ApoE4: posee argininas (en 112 y 158). Su presencia aumenta la probabilidad de sufrir la enfermedad de Alzheimer hasta 4 veces si aparece en heterocigosis y hasta 10 veces si aparece en homocigosis.

Pero, ¿por qué ApoE4 aumenta tanto la probabilidad de desarrollar Alzheimer?, ¿en qué afecta el cambio de tan solo 2 aminoácidos a una proteína que posee 299? Ahora mismo te lo explicamos

4.3- ApoE4

Su única diferencia estructural frente a la isoforma protectora es el cambio de dos cisteínas (aminoácidos polares sin carga), por dos argininas (aminoácidos polares con carga positiva). En principio parece un cambio insignificante, pero este pequeño cambio hace que la ApoE4 tenga una conformación algo más «cerrada» que el resto de ApoE, afectando más de lo que creemos en su función.

La conformación que adopta ApoE4 hace que se una más deficientemente a sus receptores, por lo que ApoE4 se encuentra durante más tiempo circulante por la matriz extracelular. Al disminuir la endocitosis mediada por receptor, disminuye la proteólisis intracelular y para compensarlo, aumenta la proteólisis extracelular.

Esta proteólisis favorece la acumulación del péptido Aβ, su unión con otros péptidos Aβ (formando oligómeros Aβ) y el inicio y desarrollo de la formación de placas amiloides y de la enfermedad de Alzheimer. De hecho se han descubierto restos de esta ApoE en las placas amiloides.

Pero esto no es todo, ya que recientemente se ha visto que ApoE también interactúa con la proteína Tau, una proteína muy importante en el desarrollo de la enfermedad de Alzheimer y cuya hiperfosforilación explica muchos de los signos clínicos de la enfermedad.

4.4- Relación ApoE – proteína Tau

Se ha visto que ApoE está relacionada con la acumulación de Tau y Tau fosforilada, especialmente ApoE4 es quien favorece en mayor medida está acumulación, la cual deriva en la formación de los ovillos neurofibrilares. Para explicar está relación de manera más detallada vamos a presentaros un experimento realizado con ratones en 2017.

En este experimento se quiso conocer más acerca del papel de ApoE en la neurodegeneración a través de Tau. Para ello se utilizaron ratones que sobreexpresaban Tau humana (ratones P301S) y las distintas isoformas de ApoE, creando distintos grupos de ratones:

• Tau-ApoE2 (TE2): expresaban Tau y ApoE2.
• Tau-ApoE3 (TE3): expresaban Tau y ApoE3.
• Tau ApoE4 (TE4): expresaban Tau y ApoE4. Es el grupo de ratones en el que mayor neurodegeración se observó a los 9 meses.
• Sin Tau y con ApoE (KI): no se observó neurodegeneración a los 9 meses. Esto confirmaba que ApoE por sí sola no ocasiona neurodegeneración.
• Con Tau y sin ApoE (TEK0): se observó neurodegeneración a los 9 meses, pero en menor nivel que en cualquiera de los grupos con Tau y las distintas formas de ApoE.

Con esto se confirmó que ApoE (especialmente ApoE4) juega un papel importante en la neurodegeneración a través de Tau. Además en este experimento se observó que ApoE4 no influye en la síntesis de Tau, sino que la acumulación de Tau se debe a que ApoE4 afecta a su degradación por autofagia.

Por último se vio que cuando había patología de Tau (hiperfosforilación y acumulación), ApoE4 provoca neuroinflamación, promoviendo la activación de la microglía y la expresión de genes A1 en astrocitos.

4.5- Genes implicados

En la prueba genética que se realizó el actor Chris Hemsworth, se analizo el gen que da lugar a la síntesis de la ya mencionada ApoE. El gen de la ApoE está formado por 4 exones y se encuentra en el cromosoma 19.

Las mutaciones de mayor interés en este gen son las que afectan a los codones que dan lugar a los aminoácidos 112 y 158, y por tanto a las distintas isoformas ya vistas (ApoE2, ApoE3 o ApoE4) y su influencia en la probabilidad de desarrollar la enfermedad de Alzheimer.

5.Referencias

1. Breijyeh, Z., & Karaman, R. Comprehensive Review on Alzheimer’s Disease: Causes and Treatment. Molecules (Basel, Switzerland), 25(24), 5789. https://doi.org/10.3390/molecules25245789
2. Lane, C. A., Hardy, J., & Schott, J. M. (2018). Alzheimer’s disease. European journal of neurology, 25(1), 59–70. (2020) https://doi.org/10.1111/ene.13439
3. Lin, Y. T., Seo, J., Gao, F., Feldman, H. M., Wen, H. L., Penney, J., Cam, H. P., Gjoneska, E., Raja, W. K., Cheng, J., Rueda, R., Kritskiy, O., Abdurrob, F., Peng, Z., Milo, B., Yu, C. J., Elmsaouri, S., Dey, D., Ko, T., Yankner, B. A., … Tsai, L. H. APOE4 Causes Widespread Molecular and Cellular Alterations Associated with Alzheimer’s Disease Phenotypes in Human iPSC-Derived Brain Cell Types. Neuron, 98(6), 1141–1154.e7. (2018) https://doi.org/10.1016/j.neuron.2018.05.008
4. Shi, Y., Yamada, K., Liddelow, S. A., Smith, S. T., Zhao, L., Luo, W., … & Holtzman, D. M. ApoE4 markedly exacerbates tau-mediated neurodegeneration in a mouse model of tauopathy. Nature, 549(7673), 523-527. (2017)
5. Spinney, L. The forgetting gene: for decades, most researchers ignored the leading genetic risk factor for Alzheimer’s disease. That is set to change. Nature, 510(7503), 26-29. (2014) https://doi.org/10.1038/510026a
6. Figura III: Lane, C. A., Hardy, J., & Schott, J. M. Alzheimer’s disease. European journal of neurology, 25(1), 59–70. (2018) https://doi.org/10.1111/ene.13439
7. Figura IV: Breijyeh, Z., & Karaman, R. Comprehensive Review on Alzheimer’s Disease: Causes and Treatment. Molecules (Basel, Switzerland), 25(24), 5789. (2020)
8. Figura VIII: Duran-Aniotz, C., Moreno-Gonzalez, I., & Morales, R. Agregados amiloides: rol en desórdenes de conformación proteica. Revista médica de Chile, 141(4), 495-505. (2013)
9. Figura X: Luna-Muñoz, J., Zamudio, S., De La Cruz, F., Minjarez-Vega, B., & Mena, R. Acción protectora de la proteína tau en la enfermedad de Alzheimer. Revista Mexicana de Neurociencia, 13(3), 160-167. (2012)
10. Figura XI: Castellani, R. J., Rolston, R. K., & Smith, M. A. Alzheimer disease. Disease-a-month : DM, 56(9), 484–546 (2010)
11. Figura XIII: Fernandez, Celia & Hamby, Mary & McReynolds, Morgan & Ray, William. The Role of APOE4 in Disrupting the Homeostatic Functions of Astrocytes and Microglia in Aging and Alzheimer’s Disease. Frontiers in Aging Neuroscience. (2011) 11. 10.3389/fnagi.2019.00014
12. Figura XVII: Safieh, M., Korczyn, A. D., & Michaelson, D. M. ApoE4: an emerging therapeutic target for Alzheimer’s disease. BMC medicine, 17(1), 1-17. (2019)
13. Figura XVIII: bondio, P., Sazzini, M., Garagnani, P., Boattini, A., Monti, D., Franceschi, C., Luiselli, D., et al. The Genetic Variability of APOE in Different Human Populations and Its Implications for Longevity. Genes, 10(3), 222. (2019)

Daniel Arenas González y Celia Arranz del Río.

Los PROTACs son moléculas diseñadas para unirse a proteínas diana, ubiquitinizarlas, y conducirlas al sistema de degradación proteosomal. Recientemente, se han utilizado para modular la actividad de la proteína Von Hippel-Lindau (VHL), una proteína capaz de unirse a factores de transcripción y regular la expresión génica.

PROTACs, un sistema de degradación de moléculas.

Los PROTACs (PROteolysis TArgeting Chimera) son moléculas diseñadas para desactivar proteínas específicas en el cuerpo. Es una molécula pequeña diseñada para unirse a una proteína objetivo específica y llevarla a un sistema de degradación proteica llamado sistema ubiquitina-proteasoma. Los PROTACs se componen de dos componentes: un ligando que se une a la proteína objetivo y un ubiquitina ligasa que cataliza la adición de ubiquitina a la proteína objetivo. [1], [2].

Los PROTACs se pueden diseñar para unirse a proteínas específicas que se sabe que están implicadas en enfermedades concretas, y por lo tanto se están considerando como posibles tratamientos para dichas enfermedades. También se utilizan en investigación científica para entender el papel de diferentes proteínas en el cuerpo y cómo pueden ser moduladas para tratar enfermedades.[3]

Los PROTACs se han utilizado en investigación para modular la actividad de la proteína VHL, de la que hablaremos a continuación. Por ejemplo, se han desarrollado PROTACs que pueden unirse a la proteína VHL y llevarla al sistema de eliminación de proteínas del cuerpo, lo que puede tener efectos terapéuticos en el cáncer causado por pVHL. Esto se logra mediante el mecanismo de acción de los PROTACs descrito anteriormente, es decir, mediante la unión de la proteína objetivo (en este caso, la proteína VHL) a una molécula de deglución, que luego lleva a la proteína objetivo al sistema de eliminación de proteínas del cuerpo.[3],[4]

Comparación entre el complejo HIF-1a-pVHL-Elongina B-Elongina C (PROTAC) y el complejo SCF.

Por un lado, WDR5 es una proteína que puede ser utilizada como componente de un PROTAC para unirse a una proteína objetivo y marcarla para su degradación por el sistema de ubiquitinación.

WDR5 tiene un dominio beta propeller. Es frecuente encontrar el dominio beta propeller en proteínas que se utilizan como componentes de PROTACs.

Por otro lado, SCF (complejo de ubiquitina ligasa E3) es un complejo proteico que se encarga de marcar las proteínas para su degradación por el sistema de ubiquitinación. El complejo SCF está compuesto por cuatro proteínas: una proteína E3 ligasa, una proteína adaptadora que se une a la proteína objetivo, una proteína F-box que se une a la proteína adaptadora y una proteína que se une a ubiquitina.[5],[6]

La proteína Von Hippel-Lindau (VHL).

La proteína VHL (Von Hippel-Lindau) es una proteína codificada por el gen VHL y se encuentra en el núcleo de las células.

Se puede unir a factores de transcripción para regular la expresión génica y a proteínas que tienen un papel en la regulación del ciclo celular y en la reparación del ADN, como la proteína p53. Esto puede ser importante para evitar el crecimiento anormal de las células, que puede llevar a enfermedades como el cáncer. [6]

La proteína VHL es un componente del complejo proteico VCB, que también incluye elongina B, elongina C y cullin-2. Tiene actividad de ubiquitina ligasa E3 y dirige la degradación dependiente del proteasoma de sus proteínas objetivo.

• La proteína VHL interactúa con CUL2, y esta interacción depende de la integridad del complejo VBC trimérico.
• La proteína VHL interactúa con ADRB2. En condiciones normales de oxígeno esta interacción depende de la hidroxilación de ADRB2 y la subsiguiente ubiquitinación y degradación mediadas por VCB. Sin embargo, bajo hipoxia, la hidroxilación, interacción con VHL, la ubiquitinación y la posterior degradación de ADRB2 disminuyen significativamente.
• Además, VHL interactúa con RNF139, USP33 y PHF17, y se encuentra en un complejo compuesto por LIMD1, VHL, EGLN1/PHD2, TCEB2 y CUL2. [7]

Vía VHL-HIF.

La pVHL también interactúa, a través de su dominio beta, con el factor inducible por la hipoxia (HIF1A). Su interacción está regulada mediante la hidroxilación de un residuo de prolina por la enzima HIF-1alfa prolil hidroxilasa dependiente de oxígeno. [8]

HIF es una proteína de expresión constitutiva y ubicua en los tejidos. La regulación de la actividad de este factor de transcripción depende del oxígeno y ocurre a varios niveles de su fisiología molecular (hidroxilación, proteólisis, transporte nuclear, etc.).

• En normoxia (niveles de oxígeno normales). En condiciones de normoxia, las subunidades HIF-alfa se unen rápidamente a la prolilhidroxilasa, que las ubiquitiniza, haciendo posible que la enzima E3-ligasa o VHL las reconozca y activando así la proteólisis de HIF mediante la vía del proteosoma. .
• En hipoxia o anoxia (niveles de oxígeno mínimos o ausencia de oxígeno). En condiciones hipóxicas, la enzima prolil hidroxilasa no ubiquitiniza al factor HIF-1alfa, impidiendo su reconocimiento por parte de la enzima VHL (E3-ligasa) y, por tanto, su proteólisis. El factor HIF comienza a acumularse en el citoplasma y se transloca al núcleo, donde se transcribirá y originará un ARNm que puede ser traducido. [9],[10].

Mutación VHL Y98N

La proteína VHL es una proteína clave en el ciclo celular y en la regulación de la respuesta del cuerpo a los cambios en el oxígeno. En la posición 98 de la proteína VHL hay una tirosina, que es un aminoácido importante en su estructura y función. Sin embargo, cuando hay una mutación que cambia la tirosina por asparragina en esa posición. La capacidad de la proteína VHL para unirse al factor de transcripción HIF1A puede verse afectada.

El HIF1A es una proteína que se une a ADN y regula la expresión de ciertos genes. Cuando hay una falta de oxígeno en las células, el HIF1A se activa y ayuda a las células a adaptarse al cambio. La proteína VHL normalmente ayuda a regular la actividad del HIF1A, impidiendo que se una a ADN cuando hay suficiente oxígeno. Sin embargo, si hay una mutación en la proteína VHL que impide que se una al HIF1A, el HIF1A puede seguir activo incluso cuando hay suficiente oxígeno, lo que puede llevar a cambios en la expresión génica y potencialmente a problemas de salud.
En resumen, la mutación que cambia la tirosina por asparragina en la posición 98 de la proteína VHL puede afectar la capacidad de la proteína VHL para regular la actividad del HIF1A, lo que puede tener consecuencias para la salud. [11]

La importancia de las mutaciones.

Una mutación que cambia una arginina por una asparragina en una proteína puede tener diversos efectos en la estructura y función de la proteína.

• La arginina es un aminoácido con un grupo amino positivamente cargado y un grupo carboxilo negativamente cargado, lo que le da una cierta reactividad química y le permite participar en interacciones con otros aminoácidos y moléculas.

• La asparragina, por otro lado, es un aminoácido con un grupo amino negativamente cargado y un grupo carboxilo positivamente cargado, lo que le da una carga eléctrica y una reactividad química diferentes.

En general, una mutación que cambia una arginina por una asparragina puede afectar la estructura tridimensional de la proteína y, por lo tanto, su función. Por ejemplo, la arginina puede participar en interacciones de puentes salinos y en la formación de estructuras secundarias como hélices alfa, mientras que la asparragina puede tener dificultades para hacerlo. También puede haber cambios en la afinidad de la proteína por otras moléculas o en su estabilidad estructural debido a la mutación.

En resumen, la mutación de arginina a asparragina puede afectar la estructura y función de la proteína de diversas maneras y puede tener efectos en el organismo que dependen de la proteína afectada y de su papel en el cuerpo.[12]

iASPP, el oncogen que se une a VHL y evita la degradación de HIF-1α.

iASPP es un oncogen inhibidor de la proteína simuladora de apoptosis de p53. iASPP y HIF-1α se unen a la misma región de VHL.

La unión de VHL con iASPP evita que se una con HIF-1α, lo que aumenta la estabilidad y señalización de la proteína HIF-1α en las células cancerosas. Se ven promovidas la angiogénesis, la reprogramación metabólica y la glucólisis).

Se ha comprobado que iASPP contribuye a la activación constitutiva de HIF-1α en cáncer, y, por tanto,  la modulación de la expresión de iASPP o su interacción con VHL es una estrategia terapéutica potencial con la que modular las actividades de la vía HIF. [13],[14]

La enfermedad de Von Hippel-Lindau (VHL), un trastorno genético.

El gen VHL, ubicado en el cromosoma 3, codifica para la proteína de Von Hippel-Lindau. Es un gen supresor de tumores y su mutación conduce al desarrollo de cáncer.

La enfermedad de Von Hippel-Lindau fue descrita por primera vez y por separado por Von Hippel en 1911 y por Lindau en 1926. Su incidencia se estima aproximadamente en 1/36000 nacido vivos. [8],[15]

Es un trastorno genético hereditario autosómico dominante caracterizada por la aparición a una edad temprana de tumores muy vascularizados. Se pueden clasificar en lesiones del SNC (hemangioblastomas del SNC y retinianos) y en lesiones viscerales (carcinomas renales, feocromocitomas y tumores neuroendocrinos pancreáticos).

La mayoría de los síndromes de VHL se acaban sometiendo a operación quirúrgica. En el caso de los feocromocitomas es conveniente usar previamente a la cirugía un bloqueador adrenérgico preoperatorio (el más común es la fenoxibenazamida). [9][10],[16]

Bibliografía.

Autores. Título. Revista. Vol. página inicial-página final (año).

1. Smith, B. E., Wang, S. L., Jaime-Figueroa, S., Harbin, A., Wang, J., Hamman, B. D., & Crews, C. M. Differential PROTAC substrate specificity dictated by orientation of recruited E3 ligase. Nature Communications, 10(1), (2019). https://doi.org/10.1038/s41467-018-08027-7
2. An S, Fu L. Small-molecule PROTACs: An emerging and promising approach for the development of targeted therapy drugs. EBioMedicine (553-563), 36, (2018).
3. Liu, J., Ma, J., Liu, Y., Xia, J., Li, Y., Wang, Z. P., & Wei, W. PROTACs: A novel strategy for cancer therapy. Seminars in Cancer Biology, 67, 171–179, (2020). https://doi.org/10.1016/J.SEMCANCER.2020.02.006
4. Kraemer, A., Doelle, A., Knapp, S., Structural Genomics Consortium. Structure of human WDR5 and pVHL:ElonginC:ElonginB bound to PROTAC with PEG linker (conformation #2), (2022) doi: 10.2210/pdb8BB2/pdb
5. Iwai, K., Yamanaka, K., Kamura, T., Minato, N., Conaway, R. C., Conaway, J. W., Klausner, R. D., & Pause, A. Identification of the von Hippel-lindau tumor-suppressor protein as part of an active E3 ubiquitin ligase complex. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 96(22), 12436–12441, (1999). https://doi.org/10.1073/pnas.96.22.12436
6. Yalla, K., Elliott, C., Day, J. P., Findlay, J., Barratt, S., Hughes, Z. A., Wilson, L., Whiteley, E., Popiolek, M., Li, Y., Dunlop, J., Killick, R., Adams, D. R., Brandon, N. J., Houslay, M. D., Hao, B., & Baillie, G. S. FBXW7 regulates DISC1 stability via the ubiquitin-proteosome system. Molecular Psychiatry, 23(5), 1278–1286, (2018). https://doi.org/10.1038/MP.2017.138
7. Foxler, D. E., Bridge, K. S., James, V., Webb, T. M., Mee, M., Wong, S. C. K., Feng, Y., Constantin-Teodosiu, D., Petursdottir, T. E., Bjornsson, J., Ingvarsson, S., Ratcliffe, P. J., Longmore, G. D., & Sharp, T. v. The LIMD1 protein bridges an association between the prolyl hydroxylases and VHL to repress HIF-1 activity. Nature Cell Biology, 14(2), 201–208, (2012). https://doi.org/10.1038/ncb2424
8. Chittiboina P, Lonser R. Von Hippel-Lindau disease. Handbook of Clinical Neurology, 139-139, 132, (2015).
9. Ben-Skowronek I, Kozaczyk S. Von hippel-lindau syndrome. Hormone Research in Paediatrics, 145-152, 84 (3), (2015).
10. Julio Pérez Márquez. Patología Celular. Factores nutricionales. Hipoxia y anoxia. Sensores celulares de oxígeno, (2022).
11. Knauth, K., Bex, C., Jemth, P., & Buchberger, A. Renal cell carcinoma risk in type 2 von Hippel-Lindau disease correlates with defects in pVHL stability and HIF-1alpha interactions. Oncogene, 25(3), 370–377, (2006). https://doi.org/10.1038/sj.onc.1209062
12. Nelson, D. L., Cuchillo Foix, C. M., Lehninger, A. L., & Cox, M. M. Lehninger: Principios de Bioquímica (4a. ed.). Barcelona: Omega, (2005).
13. Dong Zhao , Shanliang Zheng , Xingwen Wang, Hao Liu, Kunming Zhao, Li Li and Ying Hu. iASPP is essential for HIF-1α stabilization to promote angiogenesis and glycolysis via attenuating VHL-mediated protein degradation. Springer Nature Limited, (2022).
14. Tanimoto K, Makino Y, Pereira T, Poellinger L. Mechanism of regulation of the hypoxia-inducible factor-1 alpha by the von Hippel-Lindau tumor suppressor protein. EMBO J. 2000;19:4298–309.
15. de Heer EC, Jalving M, Harris AL. HIFs, angiogenesis, and metabolism: elusive enemies in breast cancer. J Clin Investig. 130:5074–87, (2020).
16. Elias, R., Zhang, Q., & Brugarolas, J. The von Hippel-Lindau Tumor Suppressor Gene: Implications and Therapeutic Opportunities. Cancer Journal (Sudbury, Mass.), 26(5), 390–398, (2020). https://doi.org/10.1097/PPO.0000000000000480

Por Lorea Ayape, 3º Biología Sanitaria. Universidad de Alcalá.

Introducción

Desde la introducción de la insulina hace casi un siglo, se han comercializado más de 80 fármacos peptídicos para el tratamiento de una amplia gama de enfermedades, como la diabetes, el cáncer, la osteoporosis, la esclerosis múltiple, la infección por VIH y el dolor crónico (Muttenthaler et al., 2021). Los grandes avances en biología molecular y química peptídica siguen haciendo progresar este campo, así como la venómica integrada, una estrategia emergente que crea nuevas vías para el descubrimiento de fármacos peptídicos (Muttenthaler et al., 2021).

A continuación, explicaremos un ejemplo de cómo los venenos, esas sustancias dañinas que presentan ciertos animales de los que muchos huimos despavoridos, pueden convertirse en nuestros aliados con ayuda de la ciencia, pues contienen determinados péptidos que podemos usar en nuestro beneficio. Para ello, le propongo al lector que visualice a nuestra protagonista: la tarántula, ese animal grande y peludo de 8 patas que tan rápido se mueve con, aparentemente, enormes ganas de morder a su víctima humana cuando nos encontramos frente a él. No obstante, las tarántulas tienen poca importancia clínica debido a que no son muy agresivas y evitan el contacto con el entorno humano (Murray, Rosenthal and Pfaller, 2021). Sin más dilación, comencemos a tratar esta curiosidad científica y, quizás, incluso les terminemos cogiendo un poquito de cariño a las arañas.

Necesidad de un nuevo analgésico

Recientemente, se han descubierto determinados componentes del veneno de tarántulas capaces de bloquear la ruta por la que se envían las señales de dolor al cerebro.

El estudio de Klint et al. ha sido realizado debido a la gran necesidad clínica que tenemos de crear analgésicos eficaces para tratar el dolor crónico, puesto que la mayoría de los fármacos disponibles actualmente tienen una eficacia limitada y efectos secundarios que limitan la dosis (Klint et al., 2015). Por su parte, el dolor crónico es un importante problema de salud en todo el mundo que afecta a una media del 15% de las personas adultas (Gaskin and Richard, 2012). Además, tan solo en Estados Unidos, la carga económica anual que supone el dolor crónico es de unos 600.000 millones de dólares, lo que supera el coste económico en conjunto del cáncer, la diabetes y los accidentes cerebrovasculares (Gaskin and Richard, 2012).

En definitiva, la prevención en dolor crónico es muy importante al ser un problema muy extendido, producir una inestimable cantidad de sufrimiento y constituir un coste económico enorme (Rodríguez-Marín, Bernabeu and Hofstadt, 2021).

Fisiología de los canales de sodio dependientes de voltaje

La comunicación celular en el sistema nervioso se basa en fenómenos de señalización eléctrica y química mediados por canales iónicos (Boron, 2017). En las células con dicha propiedad es posible desencadenar un impulso eléctrico denominado potencial de acción, que actúa como una señal capaz de propagarse a grandes distancias a lo largo de las fibras nerviosas o musculares. La conducción de los potenciales de acción permite que se pueda transmitir información a través de nervios desde los órganos hacia el cerebro (Boron, 2017). En el ejemplo que tratamos, las señales que se envían al cerebro viajan mediante la vía del dolor.

Por otro lado, debemos conocer los canales de sodio dependientes de voltaje (Na_V), unas proteínas situadas en la membrana de estas células especiales que permiten el paso de los iones sodio a su través. Si no hay canales de sodio, no se producen potenciales de acción y, por tanto, tampoco se transmiten las señales.

En concreto, el hNa_V1.7 es un canal de sodio presente en las neuronas nociceptivas. Estudios anteriores ya han demostrado que las mutaciones de pérdida de función en el gen que da lugar al hNa_V1.7 generan una insensibilidad a todas las formas del dolor (Cox et al., 2006).

Estos hallazgos sugieren que el hNa_V1.7 podría ser una buena diana en la investigación de nuevos fármacos para el tratamiento del dolor (Boron, 2017). Es por todo ello que Klint et al. se han centrado en los canales de sodio, específicamente en el hNa_V1.7.

Relación entre las arañas y los analgésicos

Las arañas son el grupo que más animales venenosos alberga. A su vez, existe un total de 9 millones de péptidos de veneno de araña, de los cuales solo se ha explorado un 0,01% (Klint et al., 2015); por lo tanto, estos venenos suponen una gran fuente para buscar nuevos moduladores del canal hNa_V1.7.

En total se analizaron los venenos de 206 especies de arañas, de los cuales un 40% presentaban algún compuesto capaz de bloquear al canal hNa_V1.7 (Klint et al., 2015). Finalmente, la estructura del Hd1a (un péptido de la araña Haplopelma doriae) demostró que se trataba del mejor candidato a posible analgésico, puesto que presenta una gran estabilidad química, térmica y biológica (Klint et al., 2015). Además, inhibió el hNa_V1.7 con un alto nivel de selectividad sobre todos los demás subtipos, excepto el hNa_V1.1 (Klint et al., 2015).

Otros canales de sodio como diana de analgésicos

A partir de una serie de venenos que activan neuronas sensoriales de ratón, Osteen et al. aislaron dos péptidos (Hm1a y Hm1b) del veneno de la tarántula Heteroscodra maculata que activaban tan sólo a unas pocas neuronas sensoriales (Osteen et al., 2016). Después comprobaron que el efecto de dichos péptidos era bloqueado mediante la tetrodotoxina (TTX), la cual actúa inhibiendo a los canales de sodio activados por voltaje (Na_V) (Osteen et al., 2016). Esto llevó al descubrimiento de que los péptidos aislados son agonistas de los canales Na_V1.1 y, a su vez, de que éstos están implicados en la señalización del dolor, lo cual se desconocía hasta entonces (Osteen et al., 2016).

También se demostró que el Na_V1.1 regula la excitabilidad de unas fibras nerviosas que transmiten señales de dolor a la médula espinal, con lo que este canal iónico también se convirtió en una posible diana analgésica (Osteen et al., 2016). De hecho, se ha comprobado que los inhibidores del Na_V1.1 reducen la hipersensibilidad mecánica en varios modelos de dolor visceral crónico (Salvatierra et al., 2018).

Es decir, en este caso los péptidos de araña mencionadas no se usarían como analgésico contra Na_V1.1 (como veíamos en el caso anterior), puesto que realmente contribuyen a que dichos canales produzcan su efecto. No obstante, Hm1a y Hm1b permitieron descubrir que el Na_V1.1 está relacionado con la señalización del dolor, posicionándolo así como un objetivo más contra el que aplicar analgésicos.

Conclusiones

El proceso de elaboración de un nuevo fármaco requiere muchísimos años, no solo por las fases que debe superar dicho medicamento hasta aparecer en las farmacias, sino también por el trabajo previo que implica detectar la diana correcta y el compuesto capaz de dirigirse hasta ella afectándola específicamente, como hemos podido comprobar.

Por su parte, todavía quedan millones de péptidos de veneno sin ser explorados, debido a la lentitud del método tradicional de descubrimiento, en el que las fracciones crudas de veneno se analizan frente a dianas conocidas, seguidas de purificación y secuenciación para dilucidar la secuencia de una diana (Muttenthaler et al., 2021).

En esta entrada del blog nos hemos centrado en algunos estudios con péptidos de arañas, pero los escorpiones y los caracoles cono también proporcionan una de las más ricas diversidades químicas (Muttenthaler et al., 2021). Afortunadamente, los nuevos avances tecnológicos están sentando las bases de un potente enfoque denominado «venómica integrada» (Muttenthaler et al., 2021).

Referencias

1. Bonica, J. J. (1976) ‘Organization and function of a multidisciplinary pain clinic’, in Pain. Springer, pp. 11–20.
2. Boron, W. F. (2017) ‘Excitabilidad eléctrica y potenciales de acción’, in Fisiología médica. third, pp. 172–189.
3. Cox, J. J. et al. (2006) ‘An SCN9A channelopathy causes congenital inability to experience pain’, Nature, 444, pp. 894–898.
4. Drenth, J. P. H. and Waxman, S. G. (2007) ‘Mutations in sodium-channel gene SCN9A cause a spectrum of human genetic pain disorders’, Journal of Clinical Investigation, 117(12), pp. 3603–3609. doi: 10.1172/JCI33297.
5. Gaskin, D. J. and Richard, P. (2012) ‘The economic costs of pain in the United States’, Journal of Pain, 13(8), pp. 715–724. doi: 10.1016/j.jpain.2012.03.009.
6. Herzig, V. et al. (2020) ‘Animal toxins — Nature’s evolutionary-refined toolkit for basic research and drug discovery’, Biochemical Pharmacology, 181(May), p. 114096. doi: 10.1016/j.bcp.2020.114096.
7. Klint, J. K. et al. (2015) ‘Seven novel modulators of the analgesic target NaV1.7 uncovered using a high-throughput venom-based discovery approach’, British Journal of Pharmacology, 172(10), pp. 2445–2458. doi: 10.1111/bph.13081.
8. Li, T. and Chen, J. (2018) ‘Voltage-Gated Sodium Channels in Drug Discovery’, Ion Channels in Health and Sickness. doi: 10.5772/intechopen.78256.
9. Murray, P. R. ., Rosenthal, K. S. . and Pfaller, M. A. (2021) ‘Artrópodos’, in Elsevier (ed.) Microbiología médica. ninth, pp. 791–807.
10. Muttenthaler, M. et al. (2021) ‘Trends in peptide drug discovery’, Nature Reviews Drug Discovery, 20(4), pp. 309–325. doi: 10.1038/s41573-020-00135-8.
11. Osteen, J. D. et al. (2016) ‘Selective spider toxins reveal a role for the Nav1.1 channel in mechanical pain’, Nature, 534(7608), pp. 494–499. doi: 10.1038/nature17976.
12. Rodríguez-Marín, J., Bernabeu, P. and Hofstadt, C. J. van-der (2021) ‘Dolor crónico, enfermedades crónicas y enfermedades terminales’, in Psicología médica. second, pp. 391–412.
13. Salvatierra, J. et al. (2018) ‘NaV1.1 inhibition can reduce visceral hypersensitivity.’, JCI insight, 3(11). doi: 10.1172/jci.insight.121000.

C. Menor-Salván ,oct 2022. V2 Nov 2023

En el año 1969 ya se conocía mucho sobre la estructura de las proteínas y hacía 10 años que había nacido la Biología Molecular moderna. Ya se entendía la relación entre el código genético, la secuencia de aminoácidos de un péptido y la proteína final. Poco tiempo antes, el bioquímico Christian Anfinsen había descubierto que una proteína desnaturalizada podía recuperar su estructura y actividad en cuestión de milisegundos, por lo que quedaba demostrado que la estructura estaba, de alguna manera, codificada en su secuencia.

Para Cyrus Levinthal esto era paradógico: una secuencia de aminoácidos tiene un número enorme de posibilidades estructurales, por lo que las diferentes conformaciones posibles no pueden tener la misma probabilidad y el plegamiento no es resultado de la búsqueda de la conformación nativa, sino que debía ser dirigido por un camino específico y predeterminado. La resolución de la paradoja de Levinthal, es decir, entender cómo se pliegan las proteínas, es uno de los problemas más complejos de la Bioquímica y la Biofísica, y sólo ahora, gracias a la inteligencia artificial y a los métodos computacionales modernos, estamos en condiciones de resolverla completamente.

El plegamiento proteico es un problema muy complejo, incluso para las células que generan las proteínas: los fallos o, simplemente, las diferentes soluciones al plegamiento estable de un péptido están detrás de enfermedades como el Alzheimer ,las enfermedades por priones o las amiloidosis. Pero, aunque sea tan complejo, podemos señalar algun aspecto interesante, como es el papel esencial de los aminoácidos hidrofóbicos y su relación con la evolución del código genético.

El colapso hidrofóbico

El proceso de plegamiento proteico es gradual, formándose regiones, llamadas foldones, que van adquiriendo conformaciones similares a la forma nativa final. Estos foldones son cooperativos y, cuando empiezan a formarse, favorecen el plegamiento del resto de la proteína. Esto se denomina la hipótesis del foldón.

En la formación de las regiones plegadas es esencial la estabilización energética que proporciona el efecto hidrofóbico, es decir, la expulsión del agua y el secuestro de los grupos R de los aminoácidos hidrofóbicos en el interior de la estructura plegada, dejando los grupos polares y cargados expuestos al solvente. Este efecto es uno de los responsables de la extraordinaria capacidad de las enzimas como catalizadores: al tener un núcleo hidrofóbico, la exclusión del agua y la desolvatación de los sustratos de las enzimas promueven la actividad enzimática.

Esta fase de plegamiento de la proteína, en la que adquiere su estructura nativa en regiones y se ha producido el colapso hidrofóbico, es muy dinámica: la estructura se mueve, los foldones se forman y reconvierten de un modo fluido. Este estado se denomina glóbulo fundido. Finalmente, la proteína alcanza un estado similar a un sólido tridimensional y se estabiliza, formando el estado nativo de la proteína. En este estado, aparecen otras interacciones, como los puentes disulfuro, el stacking de residuos de aminoácidos aromáticos y la unión de cofactores, que terminan de ‘fijar’ la estructura nativa.

En estas condiciones, tenemos la proteína plegada y funcional. Así puede cristalizar, lo cual es muy importante para conocer la estructura. Pero el estado nativo no es totalmente sólido: la proteína puede desnaturalizarse, o volver al estado de glóbulo fundido y cambiar sus conformaciones en respuesta a algún estímulo.

La idea del colapso hidrofóbico puede parecer contraintuitiva: como es posible que una fuerza débil, como la fuerza de Van der Waals entre grupos apolares, sea lo que dirige el plegamiento de la proteína. ¿cual es el papel de los enlaces de hidrógeno?. Al principio se pensaba que los enlaces de hidrógeno, mucho mas fuertes, eran esenciales en la estabilización de la estructura proteica. Actualmente sabemos que los enlaces de hidrógeno juegan un papel director durante el proceso de plegamiento, ya que dirigen la formación de diversas estructuras secundarias, que se agrupan en motivos y van dando lugar al proceso cooperativo de plegamiento. Sin embargo, no sólo no son esenciales en la estabilización de la estructura nativa, sino que, en ocasiones, son desestabilizadores que favorecen los cambios de conformación. La clave no es la fuerza de las interacciones hidrofóbicas per se, sino el efecto termodinámico, como la variación de entropía asociada al efecto hidrofóbico, que favorece el proceso.

Dada la importancia del colapso hidrofóbico, está claro que los aminoácidos hidrofóbicos van a ser claves en la evolución de las estructuras. Ello ha condicionado la evolución del código genético.

Código genético, mutaciones y la preservación de la estructura proteica

La secuencia de bases del ADN sufre constantes cambios: mutaciones que cambian bases en la secuencia y que se traducen en cambios en la secuencia de una proteína. Estos cambios pueden ser deletéreos, pero también silenciosos o incluso beneficiosos, dando lugar a nuevas funciones. El código genético ha evolucionado de tal forma que las mutaciones mas comunes, llamadas mutaciones missense, en las que un par de bases sustituye a otro, limiten sus efectos sobre las proteínas resultantes. Afortunadamente, el código genético, que se compone de unas ‘palabras’ de tres letras, llamadas codones, esta degenerado. Esto quiere decir que los 64 posibles codones (‘palabras’ de tres letras formadas con las bases A, G, C y U, es decir 4³) van a codificar para tan solo 20 aminoácidos distintos. Ello implica que algunos aminoácidos van a tener hasta 6 codones sinónimos. Esto es posible gracias al balanceo o wobble del RNA de transferencia: la tercera posición del anticodon puede reconocer diferentes bases en el codón, gracias a la formación de pares de bases no Watson-Crick, o la presencia de bases no canónicas en esa posición.

Gracias al balanceo, hay tan solo 32 diferentes tRNA para todos los codones, y estos transportan sólo 20 aminoácidos (es decir, hay más de un tRNA por aminoácido en algunos casos). Por ejemplo, un tRNA^arg de las levaduras tiene el anticodón GCI (donde I es inosina, una base que usualmente no está presente en el DNA ni el RNA). La posición I es de balanceo y puede unirse a los codones CGA, CGU y CGC. Ahora, imagina que hay una mutación y un codón CGU se transforma en un codón CGC. Esta sería una mutación silenciosa, pues, al traducirse el gen, seguiría codificando para una arginina y no se producirían cambios en la proteína. La degeneración del código genético hace posible que cambie el aminoácido sólo en un 25% de las mutaciones de este tipo. Ello aporta estabilidad al genoma: durante la evolución, solo perduraron los genomas capaces de mantener sus estructuras funcionales en un ambiente con muchos cambios. Así, la degeneración del código genético y la limitación del número de aminoácidos pudo aportar una ventaja selectiva a los organismos, reduciendo los efectos de las mutaciones. Un potencial organismo con otro código que implicara más aminoácidos debió ser inviable con las mismas tasas de mutación.

Aun así, el efecto del wobble no es suficiente; es necesario proteger la función de las proteínas, y, para ello, es clave mantener su estructura. Así, los aminoácidos hidrofóbicos están especialmente protegidos, debido a su paper fundamental en el plegamiento proteico. Cuando se produce una mutación en la primera posición del codón, se va a producir un cambio de aminoácido. Pero, en general, el cambio da lugar a la sustitución de un aminoácido por otro de propiedades similares. Por ejemplo, la valina, un aminoácido hidrófobo, esta codificada por un codón GUU. Si hay una mutación en la tercera posición y se transforma en GUC, sigue codificando para valina, y estamos ante una mutación silenciosa. Pero si hay una mutación en la primera posición y se convierte en AUU, el aminoácido cambia a isoleucina, que también es hidrófobo y tiene propiedades similares. Si la mutación lo convierte en CUU, el aminoácido cambia a leucina, que, de nuevo, es hidrófobo y tiene propiedades similares. Estos cambios no alteran significativamente el plegamiento proteico, ya que el colapso hidrófobo va a seguir sucediendo, por lo que, a pesar de las mutaciones, el plegamiento (y por tanto, la función) se va a mantener.

El problema surge cuando se produce un cambio de un aminoácido a otro de un tipo diferente. Esto puede provocar un cambio más o menos drástico en la estructura o propiedades de la proteína. Es el caso, por ejemplo, de la anemia falciforme, en la que hay una mutación de una base en el gen de la cadena beta de la hemoglobina. El aminoácido mutado cambia el codón para un ácido glutámico CTC por el codón para la valina CAC.

El cambio elimina un aminoácido cargado, el glutámico, por un aminoácido hidrófobo, la valina. Al desaparecer la carga, desaparece la repulsión electrostática entre unidades de hemoglobina, y se sustituye por un aminoácido hidrófobo superficial, que provoca una interacción hidrófoba entre cadenas. Como resultado, la hemoglobina precipita en forma de fibras. De nuevo, los aminoácidos hidrófobos son claves en la estructura. Aquí, la introducción del aminoácido hidrófobo valina tiene consecuencias relevantes, provocando la enfermedad de la anemia falciforme.

Aunque un cambio de aminoácido no tenga gran efecto estructural, influyen en la variabilidad genética y pueden tener importancia. Los SNP o polimorfismos de nucleótido único, son cambios en la secuencia de genes que se traducen en modificaciones de algún aminoácido en las proteínas. Estos SNP crean muchas variaciones entre individuos de la misma especie, y, normalmente, no tienen ningún efecto.

Sin embargo, en algunos casos, los cambios afectan a aminoácidos que alteran ligeramente la función de la proteína (haciendo una enzima mas activa o menos activa, o modificando la afinidad de una proteína por un sustrato). Aunque un cambio de afinidad sea pequeño, tienen una gran importancia farmacológica, explicando la diferente respuesta a algunos fármacos entre individuos. Entre diversas especies, los cambios son mayores para la misma proteína (o para la proteína ortóloga: proteína que ejerce la misma función en otro organismo y proviene del mismo ancestro común, y que normalmente son estructuralmente equivalentes). Esto permite trazar la evolución de las especies y de las propias proteínas.

Referencias

Alas-Guardado, S. de J., Rojo, A. and Merino, G. (2011) ‘La paradoja de Levinthal: cuando una contradicción se vuelve lógica’, Educación Química, 22(1), pp. 51–54. doi: 10.1016/S0187-893X(18)30114-9.

Baldwin, R. L. & Rose, G. D. (2013) ‘Molten globules, entropy-driven conformational change and protein folding’, Current Opinion in Structural Biology, 23(1), pp. 4–10. doi: 10.1016/j.sbi.2012.11.004.

Braakman, R. & Smith, E. (2013) ‘The compositional and evolutionary logic of metabolism’, Physical Biology, 10(1). doi: 10.1088/1478-3975/10/1/011001.

Englander, S. W. & Mayne, L. (2014) ‘The nature of protein folding pathways’, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 111(45), pp. 15873–15880. doi: 10.1073/pnas.1411798111.

Francoeur, E. (2002). Cyrus Levinthal, the Kluge and the origins of interactive molecular graphics. Endeavour, 26(4), 127–131. doi:10.1016/s0160-9327(02)01468-0 

Honig, B. (1999) ‘Protein folding: From the levinthal paradox to structure prediction’, Journal of Molecular Biology, 293(2), pp. 283–293. doi: 10.1006/jmbi.1999.3006.

Karplus, M. (1997) ‘The Levinthal paradox: yesterday and today’, Folding and Design, 2, pp. S69–S75. doi: 10.1016/S1359-0278(97)00067-9.

Kurata, S., Weixlbaumer, A., Ohtsuki, T., Shimazaki, T., Wada, T., Kirino, Y., Takai, K., Watanabe, K., Ramakrishnan, V. & Suzuki, T. (2008) ‘Modified uridines with C5-methylene substituents at the first position of the tRNA anticodon stabilize U·G wobble pairing during decoding’, Journal of Biological Chemistry, 283(27), pp. 18801–18811. doi: 10.1074/jbc.M800233200.

Pak, D., Root-Bernstein, R. & Burton, Z. F. (2017) ‘tRNA structure and evolution and standardization to the three nucleotide genetic code’, Transcription, 8(4), pp. 205–219. doi: 10.1080/21541264.2017.1318811.

Root-Bernstein, R., Kim, Y., Sanjay, A. & Burton, Z. F. (2016) ‘tRNA evolution from the proto-tRNA minihelix world’, Transcription, 7(5), pp. 153–163. doi: 10.1080/21541264.2016.1235527.

Ana Paola Cano Morris, María del Rosario García Sánchez, Luna Guerra Núñez. Biología Sanitaria, UAH.

Índice

¿Qué son los miRNA?

¿Cómo se forman?

¿Cómo funcionan?

Transporte de miRNA

miRNA en el ámbito clínco

Conclusión

Bibliografía

¿Qué son los miRNA?

Los microRNA son cadenas pequeñas de RNA no codificante formadas por unos 22 nucleótidos, que intervienen en la regulación de RNA. Al tener de diana a gran parte de los transcritos codificantes de proteínas, los miRNA están involucrados en casi todos los procesos patológicos y de desarrollo de organismos.

Algunos estudios plantean la hipótesis de que los miRNA provienen de una evolución de RNAs pequeños en eucariotas para suprimir material genético y transcritos no deseados.

¿Cómo se forman?

La mayoría de los miRNA son transcritos en el núcleo por la RNA polimerasa II como intrones o exones de RNAs no codificantes, siendo por tanto, su expresión regulada por factores de transcripción o reguladores epigenéticos. Como resultado se generará un primiRNA de unas 1000 bases que deberá sufrir una maduración hasta ser un miRNA funcional.

En estas secuencias aparecen pequeñas horquillas de unos 33-35 pares de bases en cuyos extremos hay un bucle y segmentos de cadena simple 5′ y 3′ que unirán las diferentes horquillas.

En el comienzo de la maduración participa la proteína Drosha, una endonucleasa RNasa-III cuya acción es sobre RNA de cadena doble, es decir, actuará directamente sobre la horquilla formada anteriormente. También colabora en este punto el cofactor DGCR8, cuya actividad principal es aumentar la interacción del Microprocesador que forman con el primiRNA.

Es importante que el tamaño de la horquilla sea regular para una correcta maduración. Este Microprocesador realiza un corte sobre el RNA de doble cadena aproximadamente a 11 pares de bases de la unión basal (lugar en el que comienza la doble cadena) y a 22 de la unión apical (lugar donde se sitúa el loop terminal de la horquilla). Si como hemos dicho antes, la horquilla tiene un tamaño de entre 33-35 pares de bases, el Microprocesador realizará un corte en el sitio correcto y se formará un premiRNA; este corte no es perfecto, sino que deja en el extremo 3′ dos nucleótidos de más que quedan desapareados. Es importante que esta nueva molécula también tenga en su extremo 5′ un monofosfato; ambas estructuras permitirán la correcta interacción con el resto de proteínas. El Microprocesador es susceptible de modificaciones que regulen tanto su expresión como su función, pudiendo ser la formación de miRNAs regulada en múltiples puntos.

Una vez formado el premiRNA el resto de su maduración se realizará en el citoplasma. El exporte de la molécula es llevado a cabo por la proteína Exportina 5 (EXP5), que reconoce la estructura del RNA de doble cadena e interacciona con el saliente en su extremo 3′. Se forma un complejo en forma de canasta con la proteína RAN-GTP y el premiRNA que interacciona con el poro nuclear. El GTP es hidrolizado después de la translocación del complejo, de forma que este se desensambla y el premiRNA queda libre en el citoplasma. En algunos tumores la proteína EXP5 está truncada por una mutación en el gen que la codifica, impidiendo la maduración de miRNAs.

En el siguiente paso de la maduración, interviene la proteína Dicer acompañada de la proteína TRBP que aumenta su eficacia. Dicer, al igual que Drosha, es una endonucleasa RNasa III cuya función es realizar un corte en el premiRNA cerca del loop terminal de la horquilla. Así se liberará una corta cadena de RNA duplexo de unos 22 pares de bases, que será el futuro miRNA. La proteína Dicer necesitará de los extremos 5′ fosforilado y 3′ desapareado para su correcta interacción y funcionamiento.

La pequeña doble cadena de RNA se asocia a continuación con a proteína AGO, formando el complejo silenciador inducido por RNA (RISC). Será otra vez necesario que los extremos 5′ y 3′ estén correctamente formados para una apropiada interacción con la proteína. Para la carga del miRNA en la proteína AGO, es necesaria la formación un complejo intermedio denominado RLC compuesto por el miRNA, la proteína Dicer explicada antes y la nueva AGO. En humanos existen hasta 4 tipos de la proteína AGO, pero se unen indistintamente a los miRNAs para la formación del complejo.

Por el momento seguimos teniendo el miRNA como una cadena doble, por lo que debemos referirnos al complejo como pre-RISC. Por último, se deberá eliminar la cadena que no vaya a funcionar como guía en el complejo por medio de la endonucleasa C3PO, teniendo ya así el complejo RISC con un miRNA funcional. La selección de la cadena guía se realiza en función de la estabilidad termodinámica de los extremos de la cadena, normalmente es elegida la que posee un extremo 5′ menos estable; la cadena descartada será rápidamente degradada (será una pequeña cadena de RNA sin ningún tipo de protección). No siempre es elegida la misma cadena, ya que existe cierta preferencia hacia una de ellas en un 96-99% de los casos. La cadena de miRNA menos frecuente, aún siendo también activa, será menos efectiva y aparece señalada como miRNA*.

Se acaba de explicar el funcionamiento de la biogénesis de miRNA de forma canónica. Por el contrario, no es la única vía y existen otras vías alternativas. Destacaremos los mirtrons, los cuales se forman desde los intrones de mRNAs inmaduros y también forman una horquilla; producto del splicing que sufren los mRNA en su maduración. Estas secuencias de RNA serán similares a premiRNA y se introducirán en el proceso de síntesis de miRNA habiéndose saltado el procesamiento por Drosha y DGCR8.

¿Cómo funcionan?

Como se ha adelantado antes, la complementariedad de bases entre el complejo RISC y el mRNA a regular es crucial para que el miRNA pueda llevar a cabo su función. La regulación del producto codificado por el mRNA en cuestión puede llevarse a cabo por dos vías:

• Degradación del mensajero
• Represión de la traducción

Ambas dependerán en el grado de complementariedad al que se llegue entre el miRNA y el mRNA.

Principalmente interactúan los nucleótidos de 2-8 del miRNA, altamente conservados, en el extremo 5’ (conocida como secuencia “seed”) con la región 3’UTR del mRNA, aproximadamente 15 nucleótidos después del codón de paro y junto a una secuencia rica en AU. Actualmente se sabe que la secuencia diana puede también encontrarse en la región codificante (ORF) o 5’UTR, aunque menos frecuente y eficaz que la unión canónica.

Que sean esos nucleótidos presentados al mRNA no es algo casual, viene determinado por la disposición del complejo RISC que consigue presentar este fragmento concreto de la cadena guía en forma de hélice A, lo que aumenta la afinidad y especificidad con el mRNA. Se ha estudiado que un segmento mayor supondría un problema para la unión, mientras que uno menor no tendría la especificidad suficiente para su buen funcionamiento.

El miRNA debe estar totalmente cubierto por la proteína AGO para evitar su degradación por RNasas. Solo se muestra la secuencia “seed” que se unirá específicamente al mRNA. En este punto ocurre la represión de la traducción. Existen varias hipótesis sobre este mecanismo:

• Ralentización o paralización de los ribosomas en un punto posterior a la iniciación de la traducción.
• Marcaje del polipéptido para su posterior degradación
• Prevenir la interacción entre el promotor y su activador traduccional

Para que ocurra la degradación del mRNA es necesario alcanzar un grado mayor de complementariedad con el miRNA. Después de la unión típica del extremo 5’ hay un cambio conformacional del complejo que permite extender la interacción en las regiones central y 3’ de la cadena, después la proteína AGO vuelve a su conformación típica. Es en este momento cuando puede ocurrir la degradación, realizándose un corte entre los nucleótidos 10 y 11. Es la proteína AGO quien posee una actividad endonucleolítica capaz de realizar el corte. Los fragmentos del mRNA serán posteriormente degradados, mientras que el miRNA permanece intacto para poder seguir actuando.

En eucariotas, los complejos RISC se encuentran principalmente asociados a Cuerpos P, zonas electrodensas donde se acumulan enzimas implicadas en la degradación de mRNA, siendo así considerado un lugar para la regulación postranscripcional de mRNA.

Se sabe que existe una función cooperativa de los miRNA ya que aparecen múltiples sitios de unión a estas moléculas en los mRNA, multiplicando así las respuestas de cada sitio de unión trabajando por si mismo. De esta forma el mecanismo de acción es más sensible a cambios en los niveles de miRNA. Los miRNA que se unieran al mismo mRNA también podrían ser distintos, debiendo tener en cuenta todas las interacciones a la hora de determinar una patología o tratamiento.

Los miRNA normalmente no tienen un mensajero diana determinado, sino que pueden regular la expresión de varios genes. Esto es posible en primer lugar, gracias a la conservación de los sitios de unión en las regiones 3’UTR de modo que aparecen compartidos entre una familia de genes. Por otra parte, la complementariedad entre la región 3’UTR y el miRNA no es completa en la mayoría de casos, sino que solo se da en una pequeña secuencia de 7 nucleótidos, lo suficientemente corta como para poder estar en otros mRNA.

Transporte de miRNA

Tan importante como conocer su funcionamiento en el interior celular, es conocer su transmisión entre diferentes células. Dependiendo de los mecanismos de transporte intercelular que utilicen, su transmisión tendrá características diferentes, las cuales afectaran a los procesos fisiológicos y patológicos. En el caso de estos últimos, determinaran la capacidad de diseminación y extensión de la enfermedad en el organismo.

Las principales vías de comunicación intercelular son: la señalización dependiente de contacto célula-célula (uniones intercelulares), la señalización mediante moléculas solubles y la señalización mediante vesículas extracelulares.

En el caso de los miRNA se ha demostrado su transmisión mediante: microvesículas, HDL, lipoproteínas, riboproteínas, cuerpos apoptóticos, exosomas y gap junctions. Estos dos últimos procesos serán los que explicaremos en profundidad debido a la gran importancia que están teniendo en las últimas investigaciones sobre miRNA.

Gap-junctions

Son microdominios de la membrana plasmática de células adyacentes, en los cuales se encuentran conexinas (en los invertebrados se denominan inexinas) formando canales proteicos que permiten un intercambio rápido de sustancias entre ambas células mediante el transporte directo de moléculas de pequeño tamaño.

Diversos estudios han demostrado la existencia de un trasporte de miRNA desnudos, es decir, sin el complejo RISC. Sin embargo, aún se desconoce el mecanismo molecular de dicho transporte.

Exosomas:

Los exosomas fueron descritos por primera vez por Pan y Johnstone en 1983. Son vesículas extracelulares de entre 40 y 120 nm de diámetro constituidos por una bicapa lipídica. Pueden transportar moléculas como: lípidos, proteínas, RNA… Además, se han detectado en la mayoría de líquidos corporales, lo cual los convierte en potenciales biomarcadores para ciertas enfermedades.

La biogénesis de los exosomas se produce siguiendo el siguiente proceso: Primero se forman endosomas tempranos a partir de la invaginación de la membrana celular. Seguidamente, se generan invaginaciones de la membrana del endosoma, dando lugar a múltiples vesículas intraluminales (ILVs), lo que resulta en la formación de cuerpos multivesiculares (MVBs). El contenido es seleccionado e introducido en las ILVs, que cuando sean secretadas al exterior celular por exocitosis, pasarán a considerarse exosomas.

El mecanismo para la introducción de los miRNA en los exosomas aún no está completamente estudiado y descrito, siendo necesaria una mayor investigación en ese campo. Las cuatro vías que vamos a exponer a continuación han sido descritas en diversos estudios y actualmente son la principal hipótesis para explicar dicho proceso.

MiRNA en el ámbito clínico

Fallos en la regulación de la expresión y la función de los miRNA, ya sea por alteraciones genómicas o cambios en su biogénesis, han mostrado ser factores importantes en el desarrollo y la progresión de múltiples enfermedades.

Los miRNA son por lo tanto, un área de estudio importante para futuras técnicas de diagnóstico y tratamiento.

MiRNA como biomarcadores

Los miRNA tienen el potencial de ser el biomarcador perfecto; se expresan de forma ubicua, se pueden aislar fácilmente y cuantificar con gran sensibilidad y especificidad en tejidos o fluidos. Además, son estables, tienen especificidad celular y relevancia fisiológica en estados patológicos.

Sin embargo, aún no se logra una estandarización en cuanto a su análisis, y la expresión y función de los miRNA ha presentado variabilidad en distintas poblaciones.  

Los principales test de diagnostico en el mercado son útiles para distintos tipos de cáncer y enfermedades relacionadas con la edad, esto mediante el análisis de varios miRNA. Aun así, hay proyectos en desarrollo que se centran en los niveles de un único miRNA. 

En los últimos años, muchos estudios han propuesto el uso clínico de los exosomas con miRNA como posibles biomarcadores para la detección y seguimiento de enfermedades en las que participan. Esto se debe a las siguientes características de los miRNAS exosomales:

• No todos los miRNA son transportados por exosomas.
• Algunos miRNA solo han sido detectados en exosomas en estados patológicos.
• Se han detectado diferencias en los niveles de secreción de exosomas con miRNA, además de una diferente concentración de estos en su interior, tanto entre estado fisiológico normal y estado patológico, como en la evolución de la enfermedad.

Ante estos resultados, el departamento de Hematología/Oncología del Hospital Pediátrico Bambino Gesù ha propuesto el análisis de los miRNA exosomales mediante RT-qPCR para la detección del cáncer infantil y un mejor seguimiento del progreso de la enfermedad, además de su reacción a los diferentes tratamientos.

MiRNA como terapia

Debido a sus patrones de expresión y su habilidad de unirse a varias dianas, usualmente en un mismo proceso biológico, los miRNA pueden potencialmente regular la expresión de múltiples elementos en rutas de señalización conocidas por estar afectadas en determinados estados patológicos. 

Sin embargo, la baja especificidad de unión, aumenta el peligro de efectos secundarios importantes producto de la afectación de otras rutas fuera de la diana deseada.

Es indispensable así el desarrollo de herramientas que permitan una predicción más exacta de la unión miRNA – mRNA, validando su uso terapéutico.

MiRNA “mimics” y “AntagomiRs”

Distintas patologías se caracterizan por alteraciones en la expresión de miRNA; tanto sobreexpresión como infraexpresión. Es por ello que las terapias basadas en miRNA, buscan principalmente aumentar o reducir los niveles de un miRNA especifico, según sea el caso.

Infraexpresión de miRNA;

Para aumentar los niveles de un miRNA especifico, se utilizan “mimics” de miRNA. Son moléculas sintéticas de RNA que presentan la misma secuencia que el miRNA endógeno, pudiendo restablecer así los niveles y función normal de este.

También se utilizan “Short hairpin RNAs (shRNAs)”; moléculas sintéticas que son procesadas de forma endógena para dar miRNAs maduros. Los shRNAs han mostrado minimizar la toxicidad y permiten sintetizar varios miRNAs a partir de un solo promotor.

En cáncer, la mayoría de miRNAs se encuentran infraexpresados, muchos de estos regulan el ciclo celular y se consideran supresores de tumores, por lo que restablecer sus niveles puede complementar o potenciar la eficacia de otros tratamientos oncológicos.

Sobreexpresión de miRNA;

Para inhibir la función de un miRNA que se encuentra sobreexpresado, se utilizan “AntagomiRs”; moléculas sintéticas que se unen al miRNA endógeno, bloqueándolo y regulando su expresión.

Otra forma de inhibir la expresión de miRNAs, es utilizando sitios de unión competitivos. Estos sitios de unión suelen ser “Antisense oligonucleotides (ASOs)”. Estos ASOs se modifican para aumentar su resistencia a la degradación por nucleasas, su unión a proteínas plasmáticas, su complementariedad con el miRNA diana y su habilidad para activar el sistema inmune innato. Lo que tiene como resultado que los miRNAs tendrán mayor afinidad por estos ASOs sintéticos que por sus ARNm complementarios, viéndose inhibida su función.   

Bibliografía

[1] Bajan, S. and Hutvagner, G. (2020) ‘RNA-Based Therapeutics: From Antisense Oligonucleotides to miRNAs’, Cells, 9(1), pp. 1–27. doi: 10.3390/cells9010137.

[2] Bartel, D. P. (2009) ‘MicroRNAs: Target Recognition and Regulatory Functions’, Cell, 136(2), pp. 215–233. doi: 10.1016/j.cell.2009.01.002.

[3] Galardi, A., Colletti, M., Di Paolo, V., Vitullo, P., Antonetti, L., Russo, I. and Di Giannatale, A. (2019) ‘Exosomal MiRNAs in pediatric cancers’, International Journal of Molecular Sciences, 20(18). doi: 10.3390/ijms20184600.

[4] Ha, M. and Kim, V. N. (2014) ‘Regulation of microRNA biogenesis’, Nature Reviews Molecular Cell Biology. Nature Publishing Group, 15(8), pp. 509–524. doi: 10.1038/nrm3838.

[5] Monaghan, M., Pandit, A., Bartel, D. P., Lee, R. and Feinbaum, R. (2008) ‘MicroRNAs : Genomics , Biogenesis , Mechanism , and Function Genomics : The miRNA Genes’, Advanced Drug Delivery Reviews, 116(4), pp. 197–208.

[6] Rupaimoole, R. and Slack, F. J. (2017) ‘MicroRNA therapeutics: Towards a new era for the management of cancer and other diseases’, Nature Reviews Drug Discovery. Nature Publishing Group, 16(3), pp. 203–221. doi: 10.1038/nrd.2016.246.

[7] Saliminejad, K., Khorram Khorshid, H. R., Soleymani Fard, S. and Ghaffari, S. H. (2019) ‘An overview of microRNAs: Biology, functions, therapeutics, and analysis methods’, Journal of Cellular Physiology, 234(5), pp. 5451–5465. doi: 10.1002/jcp.27486.

[8] Seto, A. G., Beatty, X., Lynch, J. M., Hermreck, M., Tetzlaff, M., Duvic, M. and Jackson, A. L. (2018) ‘Cobomarsen, an oligonucleotide inhibitor of miR-155, co-ordinately regulates multiple survival pathways to reduce cellular proliferation and survival in cutaneous T-cell lymphoma’, British Journal of Haematology, 183(3), pp. 428–444. doi: 10.1111/bjh.15547.

[9] Van Der Ree, M. H., Van Der Meer, A. J., Van Nuenen, A. C., De Bruijne, J., Ottosen, S., Janssen, H. L., Kootstra, N. A. and Reesink, H. W. (2016) ‘Miravirsen dosing in chronic hepatitis C patients results in decreased microRNA-122 levels without affecting other microRNAs in plasma’, Alimentary Pharmacology and Therapeutics, 43(1), pp. 102–113. doi: 10.1111/apt.13432.

[10] Zhang, J., Li, S., Li, L., Li, M., Guo, C., Yao, J. and Mi, S. (2015) ‘Exosome and exosomal microRNA: Trafficking, sorting, and function’, Genomics, Proteomics and Bioinformatics, 13(1), pp. 17–24. doi: 10.1016/j.gpb.2015.02.001.

por C. Menor-Salván

En los medios y redes sociales ha causado una gran alarma la aparición, reportada en diciembre de 2020 en Gran Bretaña, de una nueva variante del virus SARS-CoV-2. Esta variante, denominada B.1.1.7, contiene varias mutaciones puntuales respecto de la variante original que se extendió en febrero-marzo de 2020. Según los datos clínicos disponibles, la variante B.1.1.7 tiene mayor infectividad y velocidades de transmisión. Desde diciembre, según el COVID-19 UK Genomics Consortium, más del 50% de los nuevos contagios son de ésta variante, que presenta una transmisibilidad incrementada entre un 50 y un 70% respecto de la variante original que llamaremos WT (por ‘wild type’). Como es lógico, la aparición de variantes con mayor transmisibilidad crean alarma, pero son perfectamente esperables, dado que estamos forzando el proceso de evolución viral: mediante confinamientos y medidas anticontagio, creamos una selección artificial de las variantes más infectivas, que prevalecen sobre las variantes originales.

La infectividad viral es una consecuencia de varios aspectos moleculares del virus; uno de ellos es la afinidad por el receptor celular, que una proteína del virus reconoce, y al que se une, iniciando el proceso de infección. La proteína viral que reconoce el receptor en la célula que va a infectar es la proteína de la espícula. Como si de un puzzle molecular se tratara, la espícula viral ‘encaja’ en el receptor. Os remito a la Noticia Nº 59 para una introducción general al SARS-CoV-2

Como es lógico, si modificamos la proteína de la espícula de modo que mejore la estabilidad de su interacción con el receptor, aumentará la infectividad. ¿como?. Para entenderlo, hay que tener en cuenta que un virus es un agregado supramolecular. Digamos que es una gran molécula heterogénea. No es un ser vivo. Si el virus tiene mayor afinidad por su receptor, quiere decir que la infección se producirá a una concentración menor. Dicho de otra manera, si aumentamos la afinidad del virus modificado por el receptor, se producirá una infección con una cantidad de virus menor que los necesarios con el virus sin modificar. Y, posiblemente, este proceso está detras del efecto de la variante UK B.1.1.7: una de sus mutaciones se encuentra precisamente en la región de la espícula que interacciona con el receptor de la célula a infectar.

En ésta entrada voy a mostraros como nosotros mismos podemos ver éste efecto: voy a tomar los datos de la estructura PDB 60MJ y, a partir de ellos, voy a:

• Calcular las interacciones por puentes de hidrógeno entre la espícula y el receptor. Estas interacciones determinan la estabilidad el complejo espícula-receptor, y, como es lógico, cuando más puentes y más fuertes, mayor estabilidad = mayor afinidad =mayor infectividad. También observaremos otras interacciones evidentes, como el stacking pi: un tipo de enlace que se produce entre aminoácidos aromáticos.
• Voy a introducir la mutación N501Y de la ‘variante británica’, que implica el cambio de la asparagina 501 de la espícula por una tirosina, justamente en la región de interacción entre la espícula y el receptor.
• Después, usando el software, el ordenador calculará la estructura más estable resultante de ése cambio y veremos si la mutación introduce la aparición de nuevas interacciones. Si la mutación implica la aparición de nuevos enlaces, esto explica fácilmente el aumento de infectividad de la ‘variante británica’.

Este procedimiento lo voy a llevar a cabo usando los softwares UCSF Chimera, Pymol y Chem3D.

La mutación N501Y de la ‘variante británica’ del SARS-CoV-2 introduce nuevas interacciones y podría aumentar la afinidad por el receptor y la infectividad

Como hemos comentado, la unión entre la espícula viral y el receptor desencadena el proceso infectivo. Esta unión se lleva cabo gracias a que se establecen una serie de interacciones no covalentes entre las dos proteínas: puentes de hidrógeno e interacciones tipo apilamiento entre anillos aromáticos. Cuanto más fuerte sea la unión, mayor estabilidad tendrá el complejo y, por tanto, mayor afinidad tendrá el virus por el receptor. Al aumentar la afinidad, aumenta la infectividad del virus, dado que se requiere una inoculación de menor cantidad de virus para producir una infección efectiva. Si, por ejemplo, el virus WT necesita (número arbitrario) introducir 1000 unidades de virus en el hospedador para producir una infección, al aumentar la afinidad por el receptor ese número se puede reducir a 500-300.

Centrándonos en las estructuras del dominio RBD de la espícula y de la proteína ACE2 (recuadrados en la figura anterior), vamos a ver el resultado que obtenemos usando los datos de la variante original del virus:

Vemos la estructura molecular del dominio RBD, en azul. Este dominio es la parte de la espícula que se une al receptor celular, la proteína ACE2. Las líneas azules representan los puentes de hidrógeno entre aminoácidos. Aquí tienen especial protagonismo el Gln 493 y la lisina 417, que forman puentes con el receptor. La fenilalanina 486 da lugar a un apilamiento pi con una tirosina del receptor. Esta interacción no existía en el SARS de 2003, y es una de las que explica la mayor afinidad (e infectividad) del SARS-CoV-2. En amarillo veis la Asn (asparagina) 501, que ya en su momento se señalaba como un aminoácido potencialmente interesante en la estructura. Vamos a ver qué ocurre cuando introducimos la mutación:

La introducción de la mutación, con la nueva tirosina en la posición 501, tiene consecuencias que son sutiles pero de gran importancia. Primero, aparecen nuevas interacciones entre el nuevo aminoácido y el receptor: nuevos puentes de hidrógeno y un enlace por stacking pi entre la tirosina 501 y una tirosina del receptor. Por otro lado, interacciones que ya existían previamente disminuyen su distancia. Los puentes de hidrógeno entre las lisina 417 y la glutamina 493 se hacen más cortos (y por tanto mas fuertes, ya que es una interacción electrostática). Como resultado la proteína mutante se une con mayor estabilidad al receptor, ya que aumentan el número de puntos de atracción electrostática y disminuye la distancia de las que ya existían. Esto da lugar a una unión más estable, y, por tanto, a un aumento de la afinidad. Esto se traduce en la práctica en un aumento de la infectividad de la variante.

Las representaciones de proteínas son algo abstractas. Para que el lector pueda ver más intuitivamente cómo se produce la unión, vamos a ver las superficies de las moléculas de proteína. Estas interaccionan ‘encajando’ y uniéndose por las interacciones electrostáticas, de modo similar a como si uniéramos unas piezas con imanes.

En cierto modo, el virus y su receptor interaccionan de modo similar a las piezas de un conector magnético, pero con una interacción electrostática en lugar de magnética.

• 

• 

La fuerza y geometría de las interacciones electrostáticas determina la estabilidad de la unión entre el virus y su receptor, y, por tanto, su afinidad e infectividad. La acción de los anticuerpos se basa en un principio similar. Una pregunta habitual es si ésta nueva variante supondrá una pérdida de eficacia de las vacunas o mejorará la evasión inmune del virus. Todavía queda mucho trabajo para los científicos, pero los primeros datos indican que ésta variante no alterará la eficacia de la vacuna ni la respuesta inmune, al ser mutaciones puntuales que no afectan al reconocimiento de los anticuerpos.

Por otro lado, las modificaciones en el dominio de reconocimiento de receptor en la espícula viral, tampoco implican un aumento de la agresividad del virus, por lo que el aumento de infectividad no va asociado a un aumento de gravedad de las infecciones. Como digo, aún queda mucho que investigar y que aprender y todo puede ir cambiando, pues la pandemia evoluciona más rápido que la capacidad de los científicos para obtener resultados y avances.

Estos sencillos resultados que he mostrado, obtenidos mediante un no menos sencillo análisis computacional de datos de estructuras de proteínas, no son mas que una aproximación muy sencilla. Un estudio mas complejo y riguroso requeriría muchos mas medios y tiempo de los que dispongo, pero espero que sirva para entender la mecánica molecular que hay tras la infección del coronavirus.

Referencias

Kupferschmidt, K. Fast-spreading UK virus variant raises alarms. Science (New York, NY), 371(6524), 9-10.

Lauring, A. S., & Hodcroft, E. B. Genetic Variants of SARS-CoV-2—What Do They Mean?. JAMA.

Rynkiewicz, P., Babbitt, G. A., Cui, F., Hudson, A. O., & Lynch, M. L. A comparative survey of Betacoronavirus binding dynamics relevant to the functional evolution of the highly transmissible SARS-CoV-2 variant N501Y. bioRxiv, 2021: https://doi.org/10.1101/2020.09.11.293258

Tang, J. W., Tambyah, P. A., & Hui, D. S. (2020). Emergence of a new SARS-CoV-2 variant in the UK. Journal of Infection.

UCSF Chimera–a visualization system for exploratory research and analysis. Pettersen EF, Goddard TD, Huang CC, Couch GS, Greenblatt DM, Meng EC, Ferrin TE. J Comput Chem. 2004 Oct;25(13):1605-12

Volz, E., Mishra, S., Chand, M., Barrett, J. C., Johnson, R., Geidelberg, L., … & Ferguson, N. M. (2021). Transmission of SARS-CoV-2 Lineage B. 1.1. 7 in England: Insights from linking epidemiological and genetic data. medRxiv, 2020-12.

Zhou, Q., Yan, R., Zhang, Y., Li, Y., & Xia, L. (2020). Structure of dimeric full-length human ACE2 in complex with B0AT1. BioRxiv: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.02.17.951848v1.abstract