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.

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Realizado por Ana Jiménez y Cristina Iruela – 3º de Biología Sanitaria, UAH

Los G-cuadruplexos son unas estructuras químicas que llevan años en el punto de mira por su característica estructra y localización. Cada vez se apuesta más por ellos como terapia frente al cáncer dada su interacción con estrucutras y moléculas íntimamente relacionadas con la enfermedad. A continuación se expondrá una breve revisión sobre el tema.

Estructura y función de los ADN-G cuadruplexos

Las secuencias de ADN ricas en guanina pueden plegarse en estructuras secundarias no canónicas de cuatro cadenas denominadas G-cuadruplexos (G4). Estas estructuras secundarias se forman tanto en el ADN como en el ARN. Consiste en 4 guaninas unidas por puentes de hidrógeno de tipo Hoogsteen, en los que cada guanina puede actuar como donante y aceptor de dos puentes de hidrógeno formando una estructura plana denominada tétrada G [1]. 

Dos o más tétradas G se pueden apilar una encima de otra para formar un G-cuadruplexo, siendo esta su unidad estructural. Esta se forman conectando 4 guaninas a través de 8 puentes de hidrógeno. En la tétrada G, se forman dos de estos puentes que emparejan guaninas adyacentes, en los que están involucrados los nitrógenos número 1,7, 2 y el oxígeno 6 de cada nucleótido de guanina [2].

Además, es necesaria la presencia de un catión metálico (Na+, K+) para estabilizar la estructura [3].

En el ARN, los G4 formados en la región 5’UTR del ARNm inhiben la traducción dependiente de cap y mejoran la traducción independiente de caperuza mediada por IRES. También influyen en otros mecanismos moleculares que tienen lugar en el ARN, como el empalme, cambios en el marco de lectura, localización del ARNm o la maduración de los miARN [3].

En base a experimentos in vitro, se predijo que los G-cuadruplexos se forman en regiones que albergan un motivo G4 específico. Sin embargo, estudios actuales muestran que también pueden formarse dentro de regiones con bucles formados por 3 o más guaninas por repetición, así como en regiones que no siguen este motivo G4 estricto [1].

No se distribuyen al azar en todo el genoma, sino que abundan en ciertas regiones, como promotores, telómeros, sitios de unión de factores de transcripción u orígenes de replicación. La estabilidad de esta estructura depende, entre otros factores, del número de guaninas por repetición y de la longitud de los bucles [1].

La relevancia fisiológica de estas estructuras se debe a la existencia de proteínas que pueden unirse a ellas o desplegarlas. Existen 3 clases de proteínas que interactúan con los G-cuadruplexos descritas en la literatura: proteínas de unión a G-cuadruplexos, estabilizadoras de G-cuadruplexos y desarrolladoras de G-cuadruplexos (como helicasas). Se ha descrito qué mutaciones y/o delecciones en estas proteínas conducen a cambios en la formación de estas estructuras. Lo que, a su vez, puede dar lugar a cambios en las vías biológicas (cambios transcripcionales) y aumentar la inestabilidad del genoma [1].

La formación transitoria de G4 en condiciones termodinámicamente favorables tiene funciones reguladoras importantes dictadas por su ubicación en el genoma [3]. Entre ellas se encuentran la regulación de la transcripción, traducción, replicación del ADN y localización del ARN [4]. Destaca la función de los G-cuadruplexos en relación a la inhibición de la actividad de la telomerasa [3].

Relación con los telómeros + telomerasa + cáncer

Como ya se ha mencionado, los telómeros son un ejemplo de la presencia de G4 cuadruplexos en el genoma de los vertebrados, basándose en la secuencia consenso: (5’-TTAGGG-3’) [5] que evidencia la presencia repetitiva de las guaninas (dicha secuencia es específica para los mamíferos y cambia según la especie de los mismos).

Para comprender la importancia de los telómeros, es clave entender la estructura de los mismos, cuya formación es una respuesta evolutiva al problema encontrado en los extremos 3’ cuando la maquinaria de replicación de nuestras células no puede rellenar el hueco al no tener un extremo 5’ anterior que le sirva de molde para la síntesis de la nueva cadena. Esto tiene como resultado la formación de un T-loop y un D-loop originados por la invasión de un extremo 3’ que sobresalía respecto al extremo 5’ complementario [6]. Además, se encontrará el complejo de Shelterina, el cual poseerá diferentes proteínas que regularán la actividad de la telomerasa, enzima encargada de la elongación de los telómeros por medio de la adición de unidades (TTAGGG).

Esta respuesta evita la pérdida de información en cada ronda de replicación y evitan que la célula reconozca esta región sobrante como un daño en el ADN y lo elimine. De todas maneras, estos telómeros se irán acortando igualmente con el tiempo: acortamiento telomérico de Hayflick, resultando en un punto crítico de longitud activando la llamada senescencia replicativa, siendo este proceso la base del envejecimiento celular que resulta en poner fin a su división [7]. La regulación de dicha senescencia es clave para el organismo para evitar su envejecimiento y como supresor de tumores [8].

Los G4 tienen un papel de represión de determinados genes en células sanas impidiendo la entrada de la maquinaria necesaria para la replicación y transcripción. En células sanas, estos evitan la expresión de oncogenes como: MYC, sufriendo así un proceso de regulación negativa [5].

Lo que ocurre en enfermedades como el cáncer es que el acortamiento de los telómeros se evita hasta tal punto que las células se inmortalizan y escapan al proceso de muerte celular. La base patológica de esto es la activación de la telomerasa la cual está además sobre expresada en los tejidos cancerosos [9], cuya activación será siempre el reflejo de una respuesta anómala. Los G4 presentes en los telómeros de sus células no tendrán la misma eficacia que en las células sanas, puesto que la telomerasa se introduce y favorece la elongación de dicho telómero. Este suceso tendrá como consecuencia el desarrollo del fenotipo inmortal que adoptarán las células del tejido afectado y que se volverán cancerosas [5]. Es importante destacar que la alteración de la unión de los G4 con la telomerasa se ha observado tanto in vivo como in vitro [1]. 

Cabe mencionar las regiones TERRA, región telomérica de RNA no codificante [5]. Esta, es el transcrito resultante del telómero llevado a cabo por la enzima RNA polimerasa II la cual puede aparecer como ARN nucleoplásmico libre o en forma de un nuevo loop en la estructura de los telómeros: R-loop (correspondiente a un híbrido entre ADN y ARN) [8]. 

Cuando el telómero se acorta hasta dicho punto crítico anteriormente mencionado, este R-loop se asocia con el resto de TERRA promoviendo la reparación dirigida por homología (denominada HDR-mediated). Este proceso va a permitir la recombinación del telómero con su propia secuencia perpetuando así su vida celular y evitando la senescencia prematura. Además, este mismo mecanismo será utilizado por algunas células cancerosas para la elongación de los telómeros en caso de no poseer telomerasa funcionando como mecanismo de alargamiento alternativo, siendo la base de los tumores ALT [8].

Paradójicamente, algunos estudios han dado evidencia de la longitud reducida de los telómeros de las células cancerígenas respecto a las células de tejidos libres de cáncer, así como un aumento del número de los G4 en las mismas [5][9]. Para esto se siguen formulando diferentes hipótesis.

Otras utilidades bioquímicas

Además de la función anteriormente mencionada, se han estudiado cada vez más aplicaciones:

• Son utilizados como sondas, solas o en complejo con hemina, una estructura de porfirina que contiene hierro para detectar la presencia de diferentes ligandos [10].

• También como transportadores, gracias a su capacidad para secuestrar ligandos, actuando como agentes de administración de fármacos [10].

• En los últimos años, se ha extendido su uso como fármacos, en concreto como aptámeros (ácidos nucleicos de cadena sencilla aislados de genotecas de oligonucleótidos por selección in vitro), interactuando con biomoléculas, como proteínas e interfiriendo con sus funciones [10].

• O como dianas farmacológicas explotando su capacidad para interactuar con ligandos específicos, lo que puede alterar funciones importantes si el G-cuadruplexo se encuentra en regiones esenciales en el genoma del virus o de la célula huésped [10]. 

Telomestatina

En múltiples estudios, se ha propuesto que las mejores dianas farmacológicas serían aquellas que solo se expresasen en las células cancerosas o aquellas que fuesen esenciales para mantener el fenotipo maligno de las mismas. La telomerasa, es una diana clave [6][7][9].

Se trata de un producto natural aislado de Streptomyces anulatus que es un ligando de los G4 teniendo una afinidad muy alta por la secuencia concreta de los telómeros: (5’-TTAGGG-3’). Al interaccionar, inhibe de manera eficaz la actuación de la telomerasa, por lo que se detiene la elongación de los telómeros de las células cancerígenas y como consecuencia suprime su proliferación. Esta actividad anticancerígena provoca que algunos de los factores claves encontrados en el complejo de Shelterina del telómero, como TRF2 y POT1, se liberen de dicho telómero, evitando así que lleven a cabo su función de retrasar la senescencia [6]. 

Además, la telomestatina es un ligando que tiene una mayor afinidad por los G4 intramoleculares, tanto si han sido formados a partir de un ADN telomérico dúplex, como de uno monocatenario, teniendo la función anteriormente mencionada. Esto supone una ventaja frente a otros compuestos como TMPyP4, el cual posee afinidad por los G4 intermoleculares y teniendo un efecto totalmente diferente el cual no se ha observado en la telomestatina: formación de puentes de anafase en erizos de mar [6]. 

A pesar de sus ventajas estabilizado los G4 cuadruplexos, arrastra algunas características que resultan contraproducentes así como sus solubilidad o inestabilidad, por lo que se empezaron a utilizar algunos compuestos análogos sintéticos [5].

Búsqueda de otros fármacos

En definitiva, la existencia de análogos sintéticos de G4s es lo que ha permitido contemplar una nueva forma de terapia para el cáncer [5][11], dado que reprime el correcto funcionamiento de las células cancerosas, llegando a conseguir la destrucción de la misma; así como análogos de la telomestatina [11], aunque estas terapias siguen en constante estudio y desarrollo. 

El silvestrol es un compuesto obtenido de la corteza de los árboles de la familia flavaglina cuya estructura permite inhibir el factor de transcripción: eIF4A, tratándose de una análogo sintético. El factor posee una actividad helicasa clave para el proceso fisiológico de la transcripción al permitir deshacer las estructuras secundarias que pueden aparecer en la cadena de ADN y que impedirían la continuación del proceso. Al mismo tiempo tiene un papel clave en la carcinogénesis al facilitar la leucemia linfoblástica aguda de las células T al promover la transcripción de oncogenes como MYC, CDK6 o MDM2 al desenrollar los G4 de la región 5’ UTR de sus mRNAs. Este compuesto lo que hará, será inhibir al eIF4A [5], interfiriendo indirectamente en el mantenimiento de la estructura de los ADN G cuadruplexos.

Otro análogo que también afecta al gen MYC es: TMPyP4, anteriormente mencionado. Este se basa en la represión de proto-oncogenes de dicho gen por medio de la estabilización de los G4 cuadruplexos [5].

Los análogos “pirodistatina” y CX-3542 provocan daño en células cancerosas también. El primero, induce la formación de un nuevo loop en la estructura del telómero: “R-loop”, siendo un híbrido de DNA y RNA transcrito causando un daño en el ADN canceroso. El segundo causa daño y muerte celular con mayor eficacia en 2 tipos celulares cancerosos concretamente: células ATRX deficientes y células BRCA1/2 deficientes [5].

En relación a la función de estas estructuras como fármacos, existen secuencias cortas en los ácidos nucleicos derivadas del motivo hexanucleotido TGGGAG, denominadas “secuencias de Hotoda” que son potentes inhibidores anti-VIH. Estas secuencias cortas también se encuentran activas en otros virus como en los que aparecen secuencias de 6 nucleótidos con la siguiente estructura GGGGGT, la cual, da lugar a G-cuadruplexos. Este se une al dominio C-terminal de la proteasa del virus de la hepatitis A y es un fuerte inhibidor de la proteasa 3C de este virus [10]. Al inhibirla, impide que el virus descomponga sus proteínas para poder multiplicarse. Por lo tanto, deja de propagarse.

Un argumento notable es que estas secuencias cortas son demasiado cortas para ser específicas. Además, pueden actuar sobre otros componentes celulares del huésped, que se unen a estructuras secundarias de ADN no canónicas [10].

Otro fármaco que ha resultado ser un potente inhibidor de la telomerasa es RHPS4, tratándose de un mutante de la subunidad de la telomerasa denominada hTERT. La expresión de dicha subunidad mutante ha dado evidencias de inhibir el proceso de la telomerasa al unirse y competir por el sitio de unión. Tras estudiar su efecto en células tumorales, se concluyó que la línea celular MCF-7 de las células pertenecientes al cáncer de mama sufren una detención del crecimiento similar a la senescencia [7].

Referencias consultadas

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10. Abiri, A., Lavigne, M., Rezaei, M., Nikzad, S., Zare, P., Mergny, J. L., & Rahimi, H. R. (2021). Unlocking G-Quadruplexes as Antiviral Targets. Pharmacological reviews, 73(3), 897–923. https://doi.org/10.1124/pharmrev.120.000230
11. Teng, F. Y., Jiang, Z. Z., Guo, M., Tan, X. Z., Chen, F., Xi, X. G., & Xu, Y. (2021). G-quadruplex DNA: a novel target for drug design. Cellular and molecular life sciences : CMLS, 78(19-20), 6557–6583. https://doi.org/10.1007/s00018-021-03921-8

Realizado por Natalia López Escobar y Pablo Martín Valenzuela.

Biología molecular. 3º Biología Sanitaria. Grupo C.

1. Introducción

Actualmente, existen diversas terapias frente al cáncer, por un lado, las tradicionales, donde encontraríamos la quimioterapia, la cirugía y la radioterapia; y por el otro, las de nueva incorporación, donde nos encontraríamos la terapia dirigida, la inmunoterapia y la terapia hormonal láser entre otras.

Una de las líneas de investigación más recientes frente al cáncer es el uso de virus oncolíticos. Estos virus son modificados genéticamente para reconocer al cáncer e infectarlo. Gracias a esto, no sólo conseguimos que las células del tumor infectadas mueran, si no que permite, además, una activación del sistema inmune del hospedador. Al lisar a las células tumorales, se liberan antígenos que serán reconocidos por células del sistema inmune que activarán la respuesta inmune.

1.1. El cáncer

El cáncer es un conjunto de enfermedades que se presentan cuando las células se multiplican sin control y se diseminan a los tejidos que los rodean. Las características que deben cumplir las células para ser consideradas células tumorales fueron descritas en 2011 por Hanahah y Weinberg (1 y 2). Estas características son:

• Autosuficiencia de señales de crecimiento, es decir, no necesitan señales externas para crecer.
• Insensibilidad a señales antiproliferativas.
• Evasión de la apoptosis.
• Adaptación metabólica.
• Inmortalización, mediante el alargamiento de los telomeros
• Capacidad de invasión y angiogénesis, es decir, capacidad de crear nuevos vasos sanguíneos.
• Capacidad de colonización de otros tejidos (metástasis).
• Evasión de la respuesta inmune

1.2. Los virus oncolíticos

La idea de que los virus pueden ser utilizados contra el cáncer no es novedosa, proviene de mediados del siglo XX, cuando se observaron, en pacientes con linfomas y leucemias, remisiones del tumor, coincidentes con infecciones por virus, como el de la hepatitis o el del sarampión (3). Se empezó entonces a probar la infección de pacientes oncológicos con virus. No tuvo la eficacia esperada y además, se encontraron muchos efectos secundarios causados por los virus, de modo que se detuvo la investigación (4).

Ahora, gracias a los avances de la ingeniería genética, se han podido desarrollar virus oncolíticos más seguros y específicos frente a determinados tipos de tumores.

2. Mecanismos moleculares de acción

Los virus oncolíticos son capaces de infectar células anormales a través de dianas celulares específicas: Transcriptasa inversa de telomerasa humana, antígeno específico de próstata, ciclooxigenasa-20, her2/neu…

• La Transcriptasa inversa de telomerasa humana o hTERT, es una subunidad catalítica de la enzima Telomerasa. La telomerasa es una polimerasa ribonucleoproteica, que mantiene los extremos de los telomeros. No puede ser considerado un protooncogén, ya que su mutación por sí sola no induce el crecimiento. Si que es importante su papel en la inmortalización de las células tumorales. La mutación en el promotor de hTERT confiere una mayor agresividad al melanoma (5)
• HER2/neu: es un tipo de HER (Human EGF Receptor). Es un receptor con actividad Tyr quinasa, que tiene como ligando EGF (Epidermal Growth Factor). HER2 tiene un peculiaridad, ya que presenta la capacidad de activarse sin necesidad de ligando. Se ha visto su sobreexpresión hasta en el 30% de los cánceres de mama. (6 y 7)

Una vez hemos visto ejemplos de algunas dianas que pueden usar los virus para reconocer a las células tumorales, podemos ver los mecanismos que producen la muerte del tumor. La infección viral provoca, en primer lugar, la lisis de células tumorales. Las células dendríticas, reconocen antígenos virales y estimulan la producción de Interferon de tipo I, factor de necrosis tumoral alfa. (TNF-α) y citoquinas como la interleucina 2 (IL-2). El TNF-α regula la expresión del complejo de histocompatibilidad, e influye positivamente en la acción de la enzima caspasa y contribuye a la apoptosis celular en algunos tumores. Además, está molécula está relacionada con la activación de los linfocitos T citotóxicos y las células NK. Por lo tanto, conseguimos la muerte de las células tumorales mediante dos modos: por un lado, la lisis celular provocada por el ciclo de infección del virus. (8)

Una de las principales ventajas que supone el uso de virus oncolíticos es que podría inducir regresión en casos de metástasis (que representan la mayor parte de las muertes por cáncer) ya que, al provocar la lisis celular, salen nuevas partículas virales que pueden viajar hacia zonas lejanas donde haya metástasis. Pero el mecanismo más importante son las nuevas respuestas inflamatorias, que se producen cuando se lisan las células tumorales y salen antígenos al exterior. Estas nuevas respuestas inflamatorias, unidas a la memoria inmune celular, pueden provocar la regresión de las metástasis. (8)

Uno de los virus oncolíticos más prometedores es el CTV-m7, el cual incrementa la acción citotóxica sobre el tumor y es capaz de lisar células metastásicas. Se ha probado su uso en cánceres de próstata y ha demostrado efectividad (9).

Hay un único virus oncolítico aprobado por la FDA, es el T-VEC (Imlygic®), que es el virus del herpes simple (VHS), modificado para atacar a las células cancerígenas del melanoma.

3. Virus de la Enfermedad de Newcastle como nueva aproximación terapéutica para el glioblastoma

3.1. Introducción

Vamos a poner un ejemplo de un estudio que se realizó sobre el virus de la enfermedad de Newcastle, para ver si es adecuado para usarlo como virus oncolítico y como terapia para el glioblastoma.

3.1.1. Glioblastoma (GBM)

El glioblastoma es el tumor cerebral más común en el SNC, siendo muy agresivo debido a su invasividad y alta proliferación. Las personas que lo padecen tienen una esperanza de vida muy corta una vez que se diagnostica, a pesar de la mejora de los tratamientos y establecimiento de terapias.

Este tumor, compuesto por células madre de glioma (GSCs), presenta resistencia a diferentes tratamientos contra el cáncer, como la quimio o la radioterapia, ya que estas células son capaces de autorrenovarse y diferenciarse (10). Las GSCs se cree que también son las causantes de la recurrencia del glioblastoma.

Los rasgos más característicos de este cáncer son la proliferación microvascular y la necrosis, es decir, se agrupan en capas y las células presentan la zona central con necrosis (11).

3.1.2. Virus de la Enfermedad de Newcastle (NDV)

Es un virus aviar, con propiedades oncolíticas e inmunoestimuladoras, por lo que su estudio en viroterapia y ensayos clínicos cada vez es mayor.

El genoma de este virus consiste en una molécula de ARN monocatenario, con polaridad negativa  y formada por dos regiones en los extremos, leader en 3’ y tráiler en 5’, no codificantes; y seis genes que codifican 6 tipos de proteínas diferentes (12).

Infecta células y se replica en ellas, destruyéndolas. Esto lo hace más rápido en las células cancerosas humanas, de ahí el interés en su estudio como tratamiento para el cáncer. Presenta dos cepas: las cepas líticas, que dañan la membrana de la célula; y las cepas no líticas que bloquea el metabolismo de la célula. Las cepas líticas son las que se estudian para el cáncer, ya que son capaces de eliminar directamente las células cancerosas; pero las dos cepas se usan en vacunas que ayudan al sistema inmune a combatir el cáncer (13).

Los cultivos que se realizaron con GSCs y rNDV muestran como este virus afecta a la viabilidad de las células del tumor, induciendo apoptosis.

3.2. Glioblastoma: aspectos moleculares y patología

Las vías de señalización, moléculas y genes más comúnmente afectadas en el GBM, que hacen que sea resistentes a los tratamientos convencionales (14), son:

• Receptores tirosina/quinasa (RTK): se encuentran en la membrana plasmática. Se autofosforilan en presencia de ligando para activarse. Se encargan de activar vías de transducción que continúan con vías de transcripción de genes que regulan el ciclo celular.

• Vía de PI3K/AKT/mTOR: PI3K activa a AKT y este activa a mTOR, relacionado con la supervivencia y el ciclo celular. 

• Señalización de RAS/MAPK: genes transcritos por vías de traducción llevadas a cabo por segundos mensajeros (oncogenes o genes supresores de tumores), que participan en la proliferación celular. RAS es una GTPasa que actúa en la transducción de señal de RTK. Cuando se activan RTK, se activa RAS, que a su vez activa la vía de transducción de las MAPK. Las mutaciones en RAS la activan permanentemente, activando también permanentemente la vía de las MAPK. Esto induce una transcripción activa de genes relacionados con el ciclo celular.

• P53 y retinoblastoma (RB): implicadas en regulación del ciclo celular. P53 es un gen supresor que se encarga de inducir apoptosis cuando el ADN está dado. Si p53 está mutado, se sigue con el ciclo celular y el daño en el ADN. También inhibe a mTOR, relacionado con el ciclo celular. El retinoblastoma está relacionado con la mutación de pRb, que hace que no se una a E2F y se siga con el ciclo celular.

• Gen EGFR: es el gen del receptor del factor de crecimiento epitelial (GFR). Si está alterado, se hace independiente de EGF, por lo que se activa a muy bajas concentraciones de ligando.

3.3. NDV como agente oncolítico

En 1965 observó por 1ª vez que NDV presentaba un efecto antitumoral y baja neuroafinidad. Este potencial oncolítico que presenta el virus se debe a su propia capacidad de replicarse bastante mejor (unas 10⁴ veces mejor) en las células tumorales que en las células normales, y además, sin afectar a las células sanas. Además, al ser un virus aviar, sus cepas virulentas provocan solo síntomas leves.

3.3.1. Mecanismo de oncólisis de NDV

NDV se asocia principalmente a la inducción de la apoptosis. La apoptosis es un tipo de muerte celular programada que ocurre en todos los tipos celulares. Además, también puede provocar necroptosis, que es un tipo de muerte celular que tiene características tanto de necrosis (por la morfología de las células) como de apoptosis (por lo de programada). También puede inducir la muerte celular por autofagia.

La infección por este virus induce la activación de la respuesta inmune, favoreciendo su efecto oncolítico. Las células tumorales infectadas presentan Ag virales, haciendo que las células de alrededor liberen citoquinas, que activan a macrófagos, NK y o monocitos, provocando la respuesta inmune innata; o haciendo que se activen las células presentadoras de Ag, que activan a los linfocitos T citotóxicos, que activarán la respuesta inmune adaptativa. Todo esto activa el estado de actividad inmunológica antitumoral causando la muerte celular inmunogénica de las células tumorales (15).

El genoma de este virus es muy fácil de modificar, por lo que la técnica de genética inversa es útil para obtener virus recombinantes, teniendo como objetivo aumentar su eficacia antitumoral.

Se han estudiado sus propiedades oncolíticas, dando en algunos casos reducción parcial y en otros total del tumor.

3.4. Resultados

La tesis concluye que el NDV induce cambios en la viabilidad de las GSCs, demostrando la capacidad oncolítica del virus en diferentes tipos de líneas celulares tumorales, incluidas las líneas tumorales de glioma. Además, interfiere en el crecimiento celular de las GSCs, y provoca la inducción de la apoptosis de las diferentes líneas celulares.

En cuanto a os xenotransplantes, también se observó que se reduce el tamaño de los tumores xenotransplantados en ratones Nude. Finalmente se demostró que en los ratones inmunodeprimidos, el virus causa 100% de mortalidad, siendo seguro solo para los ratones inmunocompetentes. Lo que puede suponer una importante limitación en el uso farmacológico del virus de la enfermedad de Newcastle.

4. Conclusión

Nos ha parecido un trabajo interesante y además hemos aprendido muchas cosas que no sabíamos y que nos han gustado mucho. Creemos que la investigación y el estudio de los virus como terapia para el cáncer es algo muy importante y que podría funcionar muy bien para solucionar el problema que provoca esta enfermedad. Si es verdad que aún queda mucho por avanzar, pero creemos firmemente, que de aquí a unos años esta nueva terapia será una opción más para combatir el cáncer.

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13. Csatary LK, Moss RW, Beuth J, Töröcsik B, Szeberenyi J, Bakacs T. Beneficial treatment of patients with advanced cancer using a Newcastle disease virus vaccine (MTH-68/H). Anticancer Res. 1999 Jan-Feb;19(1B):635-8.

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16. Virus de la Enfermedad de Newcastle como nueva aproximación terapéutica para el Glioblastoma, Rubio S (2018) 24-43

Por Claudia García Lorenzo, Eva García Sánchez y Lucía González Márquez.

3º Biología Sanitaria. Universidad de Alcalá.

INTRODUCCIÓN

¿Te imaginas perder una pierna y que al día siguiente te crezca una nueva? Aunque parezca salido de una película de ciencia ficción, hay animales que pueden regenerar por completo sus extremidades.

Ambystoma mexicanum, comúnmente conocido como ajolote, es un anfibio similar a la salamandra. Etimológicamente hablando, su nombre significa “monstruo del agua” (aunque mucho miedo, no da).

Por lo general viven en canales, aunque en la actualidad sus hábitats naturales están siendo modificados por las actividades humanas. Por ello, es habitual encontrarlos en acuarios y su distribución en tiendas de mascotas¹. 

Todo esto, está favoreciendo su desaparición, lo que supondría una gran pérdida en el mundo de la investigación, pues el ajolote es un animal de especial interés por la capacidad que tiene para regenerar sus tejidos. 

Los urodelos, y en especial el ajolote, son los únicos vertebrados que pueden regenerar estructuras complejas como las extremidades, la cola, el corazón, la piel, e incluso algunas regiones del sistema nervioso, como la médula espinal². 

CICLO DE REGENERACIÓN

La regeneración de tejidos consiste en la reparación de células, tejidos, órganos o partes completas del cuerpo que están dañadas o ausentes para que vuelvan a funcionar completamente. Los vertebrados más complejos (mamíferos) cuentan con funciones regenerativas limitadas siendo la más común la formación de cicatrices en los tejidos para cerrar heridas. 

La regeneración de las extremidades es el proceso que más se ha estudiado en el ajolote, por lo que a lo largo del trabajo nos centraremos en esto³. 

Las extremidades maduras de los ajolotes (y de cualquier otro animal) están formadas por distintos tejidos (entre ellos: epidermis, dermis, tejido óseo, cartilaginoso, muscular…), que deben regenerarse de manera coordinada para que la nueva estructura sea funcional. 

Para ello, se genera una estructura denominada blastema. Inicialmente se pensaba que el blastema estaba formada por un grupo de células homogéneas pluripotentes que se iban diferenciando para formar tejidos concretos. Sin embargo, estudios recientes han determinado que estas células tienen una cierta memoria, y es que cada una originará un tejido concreto en función de su origen⁴. 

El proceso de regeneración cuenta con dos fases²:

1. FASE DE PREPARACIÓN 

El desencadenante del proceso es el corte de la extremidad del ajolote. Tras ello se produce la migración de las células epiteliales hacia la herida para formar el epitelio de la herida, que se irá engrosando con el tiempo, dando lugar al epitelio de regeneración⁵. 

A continuación, se produce una reacción inmune⁶ que va acompañada de la migración y desdiferenciación de los fibroblastos y de las células musculares para generar el blastema que irá aumentando su tamaño progresivamente. Para facilitar la migración de las células es esencial la presencia de nervios.  

2. FASE DE RE-DESARROLLO

El objetivo del ajolote en esta fase es volver a la estructura inicial antes de que se produjera la herida. Para ello, van a expresarse una gran cantidad de genes, entre ellos algunos genes Hox, encargados del control de la región antero-posterior (2). Estos genes van a seguir prácticamente el mismo patrón que siguieron durante el desarrollo del animal.

Las células indiferenciadas del blastema se van a diferenciar en células musculares y cartílago⁷, y poco a poco se irán viendo los dedos hasta que se forme por completo la extremidad. 

EL FACTOR TGF-β

1. ESTRUCTURA DEL FACTOR

Hay muchos factores y proteínas relacionadas con la regeneración tisular, pero en lo que se refiere a la regeneración de extremidades del ajolote, destaca el factor TGF-β (transforming growth factor), una proteína de secreción con 393 aminoácidos que actúa como factor de transcripción regulando positivamente la división celular.  

De los 393 aminoácidos que la conforman, los 23 primeros conforman la secuencia señal de la proteína (permite llevar la proteína a su localización exacta) y por tanto, desde el aminoácido 24 al 393, se encuentra el dominio funcional de la proteína. 

Su estructura, que todavía no se conoce al 100%, tiene estructuras en hélice-α y láminas-β. Cuenta con, al menos, cinco puentes disulfuro, uno de ellos (aminoácido 358), intercatenario⁹. 

2. PAPEL EN LA REGENERACIÓN DE TEJIDOS

El urodelo expresa en sus células dos receptores con actividad serina/treonina quinasa transmembrana, TBR-I y TBR-II. La vía de señalización del TGF-β comienza con su unión al TBR-II, activando la quinasa. Esta va a reclutar y fosforilar a TBR-I para activarla también. Este receptor se va a encargar de propagar la señal en el interior celular, ya que fosforila a los factores de transcripción Smad (siendo los más importantes Smad2, Smad3 y Smad7). Una vez fosforilados, se liberan del receptor para formar un complejo con Smad4. Se transloca al núcleo a través de un poro nuclear e interaccionan con el ADN, regulando la expresión de genes diana al reclutar una serie de co-activadores y co-represores transcripcionales^6,10.

El papel de estos factores (TGF-ꞵ y Smad) está estrictamente limitado a la fase de preparación mencionada en el apartado anterior⁶. Su función no está totalmente estudiada, pero se han utilizado varios ratones knockout y se ha visto que:

Los ratones Smad2 y 4 KO eran letales⁶. Los Smad3 KO eran viables, y en su fenotipo se vieron varias características interesantes. Los ratones eran sanos y relativamente normales, se había amplificado la respuesta de los fibroblastos en la regeneración, y se ha visto una mejora a la hora de la reepitelización de las heridas con menor inflamación y la reducción considerable de la cicatrización^6,10.

A parte de los knockouts, se han realizado ensayos de inmunofluorescencia para visualizar el tipo celular donde se concentran estos factores. Smad2 se observaba tanto en células epiteliales como en las mesenquimáticas¹⁰. En cambio, Smad3 está enriquecida en las células epiteliales cercanas a la herida. También se ha estudiado la activación diferencial, ya que aparece antes fosforilado Smad3 antes que Smad2^11,12

Con todo esto dicho, podemos llegar a varias conclusiones: Smad2 es requerido para la regeneración de las extremidades y Smad3 no. Además, se podría especular que el papel de Smad3 está relacionado con la cicatrización mientras que Smad2 es requerido para pasar a la formación del blastema requerido para continuar con la regeneración¹¹.

Los mamíferos también presentamos estos factores. Entonces, ¿por qué no somos capaces de regenerar un brazo si nos lo cortan? La realidad es que existe evidencia de que los ajolotes son capaces de desdiferenciar por completo las células  cercanas al sitio de amputación y de atenuar sus sistema inmune tras la formación de la herida¹². En cambio, los mamíferos inician una respuesta de reepitelización seguida de la reconstitución de una membrana basal madura, una contracción de la herida y la formación de una densa y estratificada capa de cicatrización¹³. Estas diferencias imposibilitan la regeneración de la extremidad, no se puede formar un blastema que dé lugar a las yemas¹². Todavía sigue en estudio, pero se han barajado varias hipótesis para estas posibles diferencias:

1. Una expresión diferencial de factores en los diferentes estados de desarrollo humano, ya que los urodelos como los ajolotes los presentan a lo largo de toda su vida constitutivamente. Esto se debe a que, en los fetos, se ha visto regeneración sin cicatrización durante el primer trimestre de la gestación¹². Como esto en adultos no ocurre, se podría pensar que los niveles de estos factores disminuyen a medida que el ser humano crece, y por lo tanto también la capacidad de regenerarse.

2. Expresión diferencial de los factores que intervienen en el proceso de regeneración: Es posible que en los mamíferos se fosforilen más los factores Smad3 que los Smad2, lo que daría a un incremento de la cicatrización en comparación con los ajolotes.

3. Diferencias morfológicas: está claro que hay una gran diferencia de tamaño entre un ajolote y un ser humano. Existe la posibilidad que la regeneración de un brazo de un mamífero sea más costoso metabólicamente que la de un ajolote, por lo que al cuerpo le compensa más en lo que se refiere a conservación de energía seguir por la vía de cicatrización que por la de regeneración de la extremidad.

UTILIDADES

La capacidad de regeneración de los ajolotes es un campo abierto de estudio que puede suponer muchos beneficios para los humanos y otros mamíferos, aunque actualmente la investigación referida a este tema está muy limitada y no es específica de los ajolotes. Existen pocos equipos de investigación dedicados al estudio de la medicina regenerativa y los ajolotes, pero se plantean muchas aplicaciones posibles.

Las líneas más importantes de investigación están dirigidas principalmente al tema del cáncer. Se ha observado que los ajolotes tienen una incidencia muy baja en cuanto a aparición de tumores de manera espontánea, así como si son inducidos por agentes cancerígenos (el tumor suele aparecer durante un tiempo largo de exposición y con mayor probabilidad en aquellos ajolotes que son más viejos). Además, en aquellos tejidos implicados en la regeneración, no se ha observado la aparición, tanto espontánea como inducida, de tumores. 

Siguiendo con la línea de investigación del cáncer, se ha estudiado también el papel de la telomerasa en esas células, y, aunque aún no se sabe muy bien cómo actúa, se plantea la posibilidad de que, como hemos mencionado antes, en la fase de re-desarrollo, se vuelve a un estado embrionario para posteriormente dar lugar al nuevo tejido.

También tiene importancia la senescencia celular, es decir, la muerte por acortamiento de telómeros, un proceso normal que limita la vida de las células. En relación a esto se ha visto que los anfibios, sobre todo los urodelos (apenas hay estudios en este tema relacionados con ajolotes), poseen células resistentes a la senescencia, aunque no todas, sino sobre todo en células de las extremidades y en algunos grupos de cardiomiocitos.

Como bien sabemos, el cáncer está muy relacionado con la edad, a mayor edad, mayor probabilidad de padecer cáncer. En el caso de los ajolotes, la capacidad de regeneración está poco limitada por la edad. Se dice que los ajolotes adultos regeneran de manera más lenta los tejidos que los ajolotes más jóvenes, pero esto ocurre porque los ajolotes jóvenes, al ser más pequeños, tienen menor cantidad de tejido que regenerar, por ello tardan menos. Esta propiedad que tienen los ajolotes de no perder capacidad de regeneración puede aplicarse a los humanos para tratar enfermedades asociadas a la edad como el Alzheimer o enfermedades cardíacas, respuestas inmunitarias alteradas, senescencia, etc.

El sistema inmune también se ve afectado con el paso del tiempo, empieza a ser menos eficiente y los humanos son más susceptibles a padecer enfermedades o sufrir respuestas inmunitarias alteradas. Tanto en mamíferos como en anfibios, el desarrollo del sistema inmune está relacionado con una pérdida de la capacidad de regeneración, pero es necesaria una respuesta inflamatoria, como la activación de los macrófagos, para llevar a cabo funciones como eliminar células en senescencia en el tejido que está siendo regenerado. Se necesita un equilibrio.

Por último, una posible aplicación de la capacidad de regeneración de los ajolotes es la parabiosis heterocrónica, una técnica que permite la unión de vasos sanguíneos de animales de distintas edades. Es una técnica que ha tenido éxito en los ajolotes, y, aunque se han hecho estudios que facilitan la regeneración de músculo e hígado en ratones viejos gracias a la activación de células de los ratones jóvenes, está rodeada de muchas opiniones controversiales^12,14.

BIBLIOGRAFÍA

1. Sámano, C., González-Barrios, R., Castro-Azpíroz, M., Torresgarcía, D., Ocampo-Cervantes, J. A., Otero-Negrete, J., & Soto-Reyes, E. (2021). Genomics and epigenomics of axolotl regeneration. In International Journal of Developmental Biology (Vol. 52). UPV/EHU Press. https://doi.org/10.1387/IJDB.200276CS
2. Roy, S., & Lévesque, M. (2006). Limb regeneration in axolotl: Is it superhealing? In TheScientificWorldJournal (Vol. 6, Issue SUPPL.1, pp. 12–25). https://doi.org/10.1100/tsw.2006.113
3. National Institute of General Medical Science. https://nigms.nih.gov/education/fact-sheets/Pages/regeneration-spanish.aspx
4. Kragl, M., Knapp, D., Nacu, E., Khattak, S., Maden, M., Epperlein, H. H., & Tanaka, E. M. (2009). Cells keep a memory of their tissue origin during axolotl limb regeneration. In Nature (Vol. 460, Issue 7251, pp. 60–65). https://doi.org/10.1038/nature08152
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8. Vogg, M. C., & Galliot, B. (n.d.). Blastema Essays on Developmental Biology, Part A.
9. UNIPROT. Identificador: A9LJ20 https://www.uniprot.org/uniprotkb?query=tgf-beta%20axolotl
10. Brown, K. A., Pietenpol, J. A., & Moses, H. L. (2007). A tale of two proteins: Differential roles and regulation of Smad2 and Smad3 in TGF‐β signaling. Journal of cellular biochemistry, 101(1), 9-33.
11. Denis, J. F., Sader, F., Gatien, S., Villiard, É., Philip, A., & Roy, S. (2016). Activation of Smad2 but not Smad3 is required to mediate TGF-β signaling during axolotl limb regeneration. Development, 143(19), 3481-3490.
12. Roy, S., & Gatien, S. (2008). Regeneration in axolotls: a model to aim for!. Experimental gerontology, 43(11), 968-973.
13. Seifert, A. W., & Muneoka, K. (2018). The blastema and epimorphic regeneration in mammals. Developmental biology, 433(2), 190-199.
14. Vieira, W. A., Wells, K. M., & McCusker, C. D. (2020). Advancements to the Axolotl Model for Regeneration and Aging. Gerontology, 66(3), 212–222. https://doi.org/10.1159/000504294.

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

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