Introducción

Como en cualquier producción industrial en línea, la producción continua de proteínas requiere también de un estricto mantenimiento del control de calidad. Los biólogos moleculares sólo recientemente han comenzado a comprender que la línea de ensamblaje de proteínas, localizada en el interior de los convulsionados tubos membranosos, conocidos como "retículo endoplásmico" (RE), no siempre funciona con la adecuada exactitud. Ello es importante, dado que casi un tercio de las proteínas celulares, especialmente las que terminan formando parte de las membranas celulares, como también las que se exportan al exterior de las células, son fabricadas en el RE (Fig. 1).

El ensamblaje de las proteínas no sólo consiste en ir uniendo adecuadamente la cadena sucesiva de aminoácidos, sino que además tiene que darle a ella una estructura tridimensional que le es vital para su función. Se trata de la forma en que ella debe doblarse, ya que la forma espacial que adquiere la proteína, es la que le da su especificidad y función ("Las inteligentes proteínas”. Los investigadores ahora se han comenzado a dar cuenta que las membranas del RE, para controlar el adecuado doblaje de las proteínas, puede llegar a convertirse en un cuello de botella. Para evitarlo cuenta con tres moléculas sensores muy eficientes, separadamente responden y entran en acción, cuando proteínas mal dobladas comienza a acumularse en el interior del RE. Esta situación puede llegar a producirse porque existen proteínas mutantes difíciles de doblar, como son las proteínas que causan la enfermedad de Alzheimer hereditaria y el Parkinson, como también porque las proteínas se sintetizan con mayor rapidez de lo que el RE pueden doblarlas. Se llega así a una situación de "estrés" del RE. Si ello sucede, se activan los sensores y comienzan a entregar una serie de señales dirigidas a detener la síntesis de la mayor parte de las proteínas, mientras por otro lado tratan de regular la velocidad de doblaje, de modo que sea posible doblar correctamente todas las proteínas y en definitiva recuperar al RE de su estrés.

El proceso reparador se llama de "respuestas a proteínas no dobladas", o "UPR", (UPR es el acrónimo de "unfolded protein response") y se realiza como una forma de proteger a la célula. Algunas veces sucede que el UPR no es capaz de eliminar las proteínas mal dobladas en el RE, lo que puede llegar a desencadenar la muerte celular. En el caso que este proceso afecte a las células cerebrales, el UPR protegería a las células, pero si su función es sobrepasada podría ser causa de la muerte de las mismas. Tal sería la situación de enfermedades como el Alzheimer, el Parkinson u otras enfermedades neuro-degenerativas. El UPR, al funcionar normalmente, también protege a las células tumorales cancerosas frente a la falta de oxígeno y nutrientes que requieren por el rápido crecimiento del tumor.

Además del cáncer y la neuro-degeneración, el estrés del RE y el UPR se han relacionado a muchas otras enfermedades comunes de los seres humanos, incluyendo la diabetes y las enfermedades cardíacas. Del mejor conocimiento de estos mecanismos regulatorios, han comenzado a surgir indirectamente nuevas formas de tratar el cáncer del pecho, como también se han insinuado nuevas drogas para tratar la diabetes. "El campo se está expandiendo muy rápidamente en términos de posibles mecanismos y sus relevancias de las enfermedades", señala el Biólogo Randal Kaufman de la Universidad de Michigan.


Identificando a los actores

Conociendo estas situaciones de estrés del RE, los investigadores están ahora encontrándose con muchas interrelaciones entre enfermedades muy diversas. Ello debido a que se ha comenzado a conocer en forma más detallada la actividad molecular del sistema del RE. En los últimos años de la década de los 80, los biólogos comenzaron a tener los primeros indicios del estrés que sufre el RE y de las dificultades del UPR. Un grupo de científicos liderados por Kaufman y otros investigadores, notaron que la acumulación de proteínas sin doblarse en el RE, incrementaba la actividad de un grupo de genes que se sabía se activaban cuando aumentaba la concentración de glucosa. Observaron que los productos de algunos de estos genes, llamados "genes proteínas reguladoras de glucosa” o “GRP” (GRP es el acrónimo de "Glucose regulated protein"), estaban comprometidos en el doblaje de proteínas. De su observación dedujeron que el RE estaba tratando de resolver su problema disminuyendo la síntesis de proteínas.

Luego los investigadores quisieron conocer como las proteínas no dobladas en el RE, lograban comunicarse con los genes en el núcleo celular, para que estos en respuesta les ayudaran a doblarse. Al comienzo de la década del 90, se encontraron tres proteínas que eran sensores claves, localizadas en la membrana del RE. La primera que se identificó, fue una proteína llamada IRE1, que fue descubierta por Peter Walter de la Universidad de California. Esta proteína que se encontró en levaduras, estaba relacionada al UPR. En realidad se trataba de una enzima que cortaba RNAs, lo cual era una actividad fundamental para la conexión genética con el interior del núcleo celular (figura 2).

Luego los investigadores encontraron también en levaduras, que cuando las proteínas no dobladas alborotaban el RE, la IRE1 cortaba un segmento del RNA mensajero (mRNA) que se dirigía a la síntesis de la proteína llamada HAC. Otra enzima que unía los extremos de las piezas cortadas, producía un RNA más corto, que resultaba en una proteína HAC más larga, debido a un cambio de la forma en que se trasladaba el mRNA. El HAC es un factor de trascripción que activa los genes GRP y otros comprometidos en el doblaje de las proteínas, y la versión larga hacía esto más rápido que la corta.

Unos pocos años más tarde, Kaufman y su equipo mostraron que esto no sucedía sólo en levaduras, sino que también en las células de mamíferos, las que tenían su propia versión del IRE, que ensamblaba el mRNA con un factor de trascripción llamado Xbp1 (figura 2).

Casi al mismo tiempo, otros investigadores identificaron una proteína en la membrana celular, llamada PERK, que era un segundo sensor de estrés del RE. PERK es una de las muchas enzimas quinazas celulares, que cuando se activa, agrega un grupo fosfato a una proteína llamada eIF2α, que normalmente ayuda a iniciar la traducción del mRNA a proteínas. La fosforilización de PERK, bloquea la función eIF2α, ayudando de este modo a aliviar el estrés del RE, deteniendo la producción de más proteínas (figura 2).

Finalmente, El grupo de Mori identificó el ATF6, como el tercer sensor de estrés del RE. Cuando se acumulan las proteínas sin doblar, enzimas proteazas cortan un segmento de ATF6 y este viaja hacia el núcleo, donde ayuda a activar los genes de proteínas dobladoras (figura 2).

En resumen, las tres proteínas sensoras, PERK, IRE, y ATF6 pueden ser capaces de sensar proteínas no dobladas, ya sea directa o indirectamente. Es así como en ausencia de estrés del RE, uniéndose a una proteína reguladora llamada Bip/GRP78 (GRP: glucose regulated protein), puede mantener el sistema funcionando. Pero las proteínas no dobladas pueden llegar a bloquear el BiP/GRP78, dejando en libertad a los tres sensores para desencadenar el UPR (figura 2).


La conexión con la diabetes
Una vez que los investigadores identificaron los genes más importantes de los sensores del ER y de otros componentes del UPR, se pusieron a la tarea de manipularlos, para investigar en animales como ellos afectaban su desarrollo y su salud cuando estas se bloqueaban. Rápidamente aparecieron conexiones con la diabetes. En el año 2000 el equipo de investigadores que trabajaba con Cecile Julier del Instituto Pasteur de París, encontró que el síndrome de Wolcott-Rallinson, que era una rara enfermedad genética entre cuyos síntomas se incluye una diabetes que comienza ya en el primer o segundo año de vida, era causada por una mutación que inactiva PERK. Cuando luego Ron y sus colegas bloquearon el gene en ratas, observaron que a poco de nacer los animales se hicieron diabéticos, ya que sus células beta productores de insulina funcionaron mal y terminaron muriendo.

Más tarde se encontraron otras evidencias que el PERK era necesario para el normal funcionamiento de las células beta del páncreas. Kaufman y sus colegas, produjeron ratas con una mutación en una copia del gene para PERK. El defecto impidió que eIF2β fuese fosforilado por la quinaza (figura 2).

El equipo de Michigan demostró que la rata mutante, con una dieta alta en grasa, llegaba a ser mucho más obesa que el animal normal (figura 3). La mutante también desarrollaba diabetes. El examen de las células beta del animal revelaba un hinchamiento en su ER, que aparentemente aparecía como lleno de proteínas no dobladas incluyendo la insulina que ya estas células no la secretaban normalmente.

No esta claro si en los humanos la mutación en PERK sea una causa frecuente de diabetes. Pero la deficiencia de las células beta en el síndrome de Wolcott-Rallison, como también la diabetes en ratas con defectos en PERK, son dos situaciones que se parecen mucho a la diabetes tipo 1 que normalmente ocurre en la infancia como resultado de muerte de células beta y la consecuente falla en la producción de insulina.

Por otra parte, evidencias aportadas por Umut Özacn y sus colegas de la Escuela de Salud Pública de la Universidad de Harvard en Boston, correlacionan el estrés de ER con la diabetes tipo 2, que se produce porque las células de los pacientes son incapaces de responder a la insulina. Hay que recordar que la obesidad es el principal factor de riesgo para la diabetes.

Más recientemente, Hoyamisligil y sus colegas demostraron que un tratamiento que aliviaba el estrés de ER, logró recuperar la diabetes que se había establecido en las ratas mutadas (Science, Agosto 25, pág. 1137, 2006). Este consistió en que administraron a los animales enfermos, una de las dos drogas que se habían desarrollado para el tratamiento de otras enfermedades, pero que podían promover el doblaje de las proteínas en el ER. Al cuarto día, la sensibilidad a la insulina en estos animales volvió a valores normales, al mismo tiempo que se normalizó la glicemia. "Los resultados fueron espectaculares", señaló Hotamisligil. Ahora están esperando ensayar las mismas drogas en pacientes diabéticos.


Las relaciones con el cáncer

Experiencias recientes señalan que la diabetes tipo 2, no es la única enfermedad que se puede desencadenar a consecuencia del estrés de ER. También sucede lo mismo con el cáncer.

El RE de células cancerosas también puede sufrir estrés, ya que el tumor suele crecer más rápidamente que las posibilidades del necesario suministro de sangre, lo que puede producir deficiencia en el aporte de oxígeno. No esta claro como esto pueda llevar al estrés de su ER, pero es lógico imaginar que diferentes circunstancias pueden ser causas de estrés del RE. Ya sea una menor generación de energía que la célula necesita para mantener el gasto correspondiente, como también la falta de energía necesaria para el doblaje de sus proteínas, o para agregarle la glucosa final a la proteína (glicolización), pueden llevar a un estrés del RE.

Constantinos Koumenis y sus colegas de la Wake Forest University School of Medicine en Winston Salem, North Caroline, encontraron que la activación de la rama PERK del UPR fortalecía el crecimiento celular. Así por ejemplo, células tumorales en las que el gene PERK había sido eliminado, al transplantalas a ratas, tenían un crecimiento muy lento.

Del mismo modo Albert Koong y Lorenzo Romero-Ramírez de la Universidad de Stanford en Palo Alto, mostraron que se requiere de la actividad de la IRE1-XBP1 rama de la UPR, para que el tumor creciera. "Si se bloquea el UPR de cualquiera de estos sistemas de tumores, este crece menos y más lentamente", dice Koumenis. Aparentemente este efecto no está limitado a los tumores experimentales, ya que los tumores humanos muestran un incremento de la expresión de los componentes del sistema UPR, particularmente en las áreas deprivadas de oxígeno.

Por lo menos uno de estos componentes puede ayudar a que el cáncer del pecho responda a la quimioterapia. Hace aproximadamente 10 años, el equipo de Amy Lee, en la Universidad de Sothern California en Los Angeles encontró que el regulador BiP/GRP78 del URP, era necesario para el crecimiento de los tumores del tipo fibrosarcoma implantados en ratas. Trabajos posteriores del mismo grupo mostraron que los niveles de BiP/GRP78 se incrementaban en los tumores, incluyendo el cáncer del pecho y el cáncer de los pulmones.

La proteína puede ayudar a las células cancerosas a sobrevivir, inhibiendo el programa de muerte celular (apoptosis). Aun cuando una prolongación de UPR puede promover apoptosis, muchos grupos han encontrado que el BiP mismo es anti apoptósico. Han demostrado que interfiere con las enzimas caspasas y con otros componentes del proceso de la muerte celular.

Esta forma de operación, puede también ayudar a explicar otro aspecto amigable para el cáncer de la activación UPR. A menudo el cáncer desarrolla resistencia a las drogas y radiaciones usadas en su tratamiento y algunos investigadores han encontrado que UPR contribuye a la aparición de esta resistencia para algunas drogas, particularmente aquellas que funcionan gatillando la apoptosis (Science, Septiembre 15, 2006, Pág. 1564)


El estrés se va al cerebro

También los neurobiólogos tienen que enfrentar un proceso similar, frente a proteínas que no se doblan adecuadamente. Muchas de las enfermedades neuro degenerativas más comunes y devastadoras, incluyendo el Alzheimer, el Parkinson y la enfermedad de Huntington, se caracterizan por la acumulación y agregación de proteínas no dobladas. Por ello no sorprende que numerosos investigadores hayan encontrado evidencias de que en estas condiciones también se activa el UPR.

Estudios realizados en muestras de autopsias de cerebros humanos de enfermos fallecidos a causa de estas enfermedades (como también en cerebros de ratas genéticamente modificadas como modelos de estas enfermedades), revelan incremento de la expresión de varios componentes característicos del UPR. "Es evidente que UPR se activa en el Alzheimer y también en otras enfermedades neuro-degenerativas", dice Dale Bredesen del Buck Institute for Age Research en Novato.

Pero esta activación, termina haciendo más daño que beneficio. Si el UPR no es capaz de resolver el estrés del EPR que están experimentando las células neuronales, es muy posible que se llegue a una progresión de la enfermedad, gatillando la apoptosis de las neuronas. "La respuesta inicial es protectora, pero la respuesta final es destructiva", dice Bredesen.

No está claro como exactamente el UPR induce a la célula a la apoptosis. Los neurobiólogos tienen algunas ideases. Por ejemplo Bredesen y sus colaboradores, han señalado a la Caspasa 12 como una posible conexión. Tratamientos que inducen estrés RE llegan a incrementar la actividad de esta enzima, que está entre las que llevan a la destrucción final por apoptosis. El trabajo que llevó a esta conclusión, se realizó con un modelo de ratas, pero no se puede extrapolar estos hallazgos a lo que ocurre en enfermedades humanas.

Los investigadores desean llegar a conocer como el UPR gatilla la apoptosis, ya que piensan que por allí se podrían diseñar drogas útiles para el tratamiento de estas enfermedades. El hecho que UPR pueda ser favorable en algunas situaciones y dañina en otras, puede complicar el diseño de drogas útiles.

En conclusión, lograr que se mantenga el programa de control de la calidad en el complejo proceso de ensamblaje de proteínas parece ser más difícil que lograr el mismo control de calidad en la fabricación de automóviles.




*Información tomada principalmente del artículo de Jerry Guo. Science, vol 313, Septiembre 15, pag. 1565, 2006.