Conocer las proteínas. Otra estrategia contra el cáncer

Carlos Fernández Rodríguez

Para conocer el funcionamiento de cualquier sistema biológico es necesario determinar su estructura y conocer su dinámica. En el caso de las células existen, entre otros elementos, una serie de pequeñas máquinas moleculares llamadas proteínas, que son quienes van a regular y ejecutar la mayor parte de los procesos celulares necesarios para la vida

Nuestro objetivo como biólogos estructurales es conocer con la mayor precisión posible la posición de cada uno de los átomos que forman una determinada proteína o estructura biológica y tratar de proponer un mecanismo acerca de su funcionamiento.

La labor de determinar la estructura interna de las proteínas es una tarea extremadamente complicada para los investigadores que nos dedicamos a la biología estructural por diversos motivos:

  • En primer lugar, las proteínas son extremadamente pequeñas comparadas con el mundo visible. Están formadas apenas por unos miles o decenas de miles de átomos, por ejemplo, la insulina es una proteína que tiene tan sólo 777 átomos y, a modo de comparativa, en 1 milímetro cabrían entre 1 y 10 millones de átomos colocados en fila.
  • En segundo lugar, dentro de una célula conviven proteínas de múltiples tipos, con diferentes funciones y estructuras, y no todas están presentes en la misma proporción, ni en todos los estados y fases por los que pasa una célula. Como consecuencia de la actividad y la dinámica propia de cada proteína, una misma proteína puede pasar por distintos estados o conformaciones, mostrándonos una estructura ligeramente diferente en cada uno de estos estados.
Grupo de Complejos Macromoleculares en la Respuesta a Daños en el ADN del CNIO. De izquierda a derecha, Óscar Llorca (jefe), Marina Serna y Carlos Fernández (autor de este post). /CNIO

Nuestro objetivo como biólogos estructurales es conocer con la mayor precisión posible la posición de cada uno de los átomos que forman una determinada proteína o estructura biológica, y a la vez, basándonos en el conocimiento actual en bioquímica, las técnicas computacionales y nuestra experiencia, tratar de proponer un mecanismo acerca del funcionamiento de dicha proteína o complejo molecular. En nuestro grupo de Complejos Macromoleculares en la Respuesta a Daños en el ADN del CNIO, liderado por Óscar Llorca, llevamos años trabajando una serie de complejos de proteínas que asisten la maduración de otras máquinas moleculares críticas para la supervivencia celular. En concreto, hemos estudiado el funcionamiento (estructura + dinámica) del complejo PAQosoma y, en particular, su módulo central R2TP. Este módulo R2TP trabaja asistiendo la actividad de la chaperona HSP90 para el ensamblaje de complejos tan importantes como las PIKKs, que responden ante daños en el ADN, el supresor tumoral SMG1, el espliceosoma para el procesamiento del ARN mensajero o el regulador del crecimiento celular mTOR entre otros muchos.

Una posible ventana terapéutica que permitiría atacar a las células tumorales es mediante la modulación de la actividad HSP90, o alguno de sus múltiples asistentes como es el caso de R2TP, tratando de distorsionar lo mínimo las funciones vitales en las células sanas.

Si hablamos del cáncer, la sobreexpresión de la proteína HSP90 está relacionada con un peor pronóstico de la enfermedad. Cuando aparecen mutaciones que derivan en la expresión de oncoproteínas, en ocasiones, estas oncoproteínas son menos estables y necesitan la asistencia de HSP90 para su ensamblaje, como en el caso de la translocación BCR-ABL en la leucemia mieloide crónica. Otro ejemplo es el de la proteína supresora de tumores p53, que aparece mutada en más del 50% de los tumores. Es conocido como el guardián del genoma, y en ocasiones las mutaciones en p53 impiden que sea capaz de unirse normalmente al ADN. Se cree que estos mutantes de p53 son capaces de utilizar la maquinaria de HSP90 para aumentar su estabilidad, evitar su degradación y por tanto producir una acumulación de p53 en la célula que es una condición frecuentemente observada en tumores de múltiples tipos.

La determinación de estructuras atómicas de este tipo de complejos es necesaria comprender el funcionamiento del sistema y es clave para conocer las posibles dianas terapéuticas que permitan el diseño de nuevos fármacos

Junto a mi grupo del CNIO hemos estudiado el módulo R2TP como asistente o co-chaperona de HSP90 desde hace varios años, aportando valioso conocimiento a nivel estructural y bioquímico sobre el funcionamiento del sistema. En nuestro laboratorio fue resuelta en un principio la estructura del complejo R2TP de levaduras a media resolución (Structure, 2017). La determinación de estructuras atómicas de este tipo de complejos es necesaria comprender el funcionamiento del sistema y es clave para conocer las posibles dianas terapéuticas que permitan el diseño de nuevos fármacos. Posteriormente, en 2018, fuimos capaces de resolver a resolución atómica parte del complejo R2TP de humanos (Nature Communications, 2018), y de proponer un modelo sobre cómo se organiza el sistema R2TP como plataforma flexible para el reclutamiento de múltiples y muy diferentes clientes de HSP90, un trabajo puntero y todo un reto para nosotros, ya que hasta ese momento sólo se habían resuelto a nivel mundial unas 100 estructuras de complejos biológicos menores de 1 MDa y con una resolución mejor a 4 Angstroms. Y así hasta hoy, que hemos publicado en Science Advances en 2019 un posible mecanismo motor de R2TP, el núcleo catalítico RUVBL1-RUVBL2.

Anillo RUVBL1-RUVBL2. La flecha indica la zona que se abre para permitir la liberación del ADP.  /CNIO

Todos estos trabajos nos revelan valiosa información acerca del funcionamiento del complejo R2TP gracias a la determinación de estructuras a alta resolución utilizando la criomicroscopía electrónica, una técnica que está revolucionando la manera en que estudiamos la biología celular. Gracias a ello, ahora somos capaces de observar directamente proteínas y complejos macromoleculares directamente en solución con un nivel de detalle que nos permite proponer modelos sobre su estructura atómica. La criomicroscopía electrónica incluso permite estudiar células completas y, de hecho, ya se están publicando trabajos en los cuales se obtienen reconstrucciones tridimensionales de estructuras celulares con un nivel de detalle impensable hace muy pocos años. No es de extrañar que tres investigadores pioneros en el campo de la criomicroscopía de moléculas biológicas recibieran el Premio Nobel de Química en 2017:

  • Jacques Dubochet consiguió en el EMBL de Heidelberg (1984) las primeras imágenes de criomicroscopía tras desarrollar una técnica basada en el enfriamiento rápido del agua utilizando etano líquido. Esto permitía obtener hielo sin estructura cristalina y así observar con claridad las moléculas biológicas presentes en la solución.
  • Joachim Frank, investigador de la Universidad de Columbia en Nueva York, desarrolló en 1975 una estrategia teórica para poder clasificar las imágenes obtenidas en el microscopio electrónico y obtener una reconstrucción tridimensional a partir de imágenes en dos dimensiones.
  • Por su parte, Richard Henderson, investigador en el LMB de Cambridge, además de haber impulsado la técnica a nivel práctico y teórico desde hace más de 40 años, obtuvo en 1990 la primera estructura a alta resolución de una proteína, la bacteriorodopsina, mediante difracción de electrones (previamente, 15 años antes, obtuvo una estructura de la misma proteína a media resolución).

Pero la verdadera revolución de la microscopía electrónica ha llegado con una serie de mejoras técnicas en los últimos 5-6 años, gracias a la aparición de los detectores directos de electrones y a la mejora de los algoritmos para el tratamiento de la información obtenida en los microscopios. En este sentido, el investigador del LMB de Cambridge, Sjors Scheres, fue elegido entre las 10 personas más relevantes de 2014 por la revista Nature por su contribución al desarrollo de algoritmos para el tratamiento de datos de criomicroscopía.

Todos estos logros por parte de los científicos que nos dedicamos a la biología estructural son en gran medida consecuencia del éxito y el buen hacer de científicos de otros campos tan diferentes al nuestro como la física o la ingeniería.

Por eso hay que destacar que todos estos logros por parte de los científicos que nos dedicamos a la biología estructural son en gran medida consecuencia del éxito y el buen hacer de científicos de otros campos tan diferentes al nuestro como la física o la ingeniería. Sus avances han supuesto un salto cualitativo respecto a los dispositivos anteriores, además del diseño de nuevos programas informáticos y dispositivos de cálculo que permiten el tratamiento de cantidades ingentes de datos de microscopía en tiempos y costes razonables. Todo esto ha posibilitado que la criomicroscopía se sitúe hoy día como una de las técnicas de elección para el estudio a nivel estructural de moléculas biológicas. En mi opinión, la biología y la medicina del futuro cada vez van a depender más de este tipo de avances tecnológicos provenientes de otros campos de estudio y tendremos que tenerlo en cuenta todos aquellos que nos dedicamos a la investigación. Este año 2019 la criomicroscopía ha sido elegida por la revista Nature entre las 10 tecnologías más importantes y, además, se espera la llegada de una segunda generación de detectores directos de electrones y de nuevos instrumentos para la preparación de muestras biológicas que introduzcan mejoras sobre el método tradicional desarrollado por Jacques Dubochet.

En el grupo de Complejos Macromoleculares en la Respuesta a Daños en el ADN y, en general, en el Programa de Biología Estructural del CNIO, estamos siendo partícipes en los últimos años de esta gran revolución que sin duda está cambiando la manera en la que estudiamos la célula y todos los procesos biológicos. Hay que agradecer al CNIO su apuesta por esta técnica revolucionaria y el esfuerzo realizado, tanto a nivel de equipamiento científico, como a nivel de creación de grupos de investigación para potenciar la biología estructural y, concretamente, la criomicroscopía. Personalmente, ha sido todo un privilegio poder trabajar durante estos 3 años en el grupo de Óscar Llorca, donde he podido desarrollar mi investigación, aprender de los mejores y aportar, en la medida de lo posible, mis conocimientos para avanzar en nuestra investigación. Por supuesto todo este camino ha sido posible gracias a mi familia, a mis padres, por permitirme estudiar lo que he querido y poder dedicarme a la mejor profesión de todas.

Los jóvenes son el futuro de nuestro país, no sólo a nivel científico.

No puedo terminar estas líneas sin hacer unas pequeñas reivindicaciones. Me gustaría que la sociedad no se olvide del talento que tenemos en las universidades. Hay muchísimos chicos y chicas (en mi promoción más del 75% mujeres) estudiantes muy brillantes en nuestras universidades y con unas capacidades excelentes que se encuentran con un panorama laboral absolutamente devastador a la hora de empezar su carrera científica o laboral. Los jóvenes son el futuro de nuestro país, no sólo a nivel científico, y la universidad es uno de los mayores bienes culturales y del conocimiento en nuestra sociedad desde hace más de 8 siglos.

Carlos Fernández Rodríguez es investigador predoctoral en el grupo de Complejos Macromoleculares en la Respuesta a Daños en el ADN del Centro Nacional de Investigaciones Oncológicas (CNIO). Licenciado en Biotecnología por la Universidad de León, durante la licenciatura cursó estudios en la Universidad de Salamanca y la Universidade Nova de Lisboa. Obtuvo un Máster en Descubrimiento de fármacos por la Universidad de Alcalá de Henares y actualmente se encuentra cursando el programa de doctorado en química médica por la Universidad Complutense de Madrid, habiendo realizado una estancia en la Universidad de Columbia en Nueva York. Sus últimos trabajos han sido publicados en Nature communications en 2018 y en Science Advances en 2019.

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2019-05-06T12:50:19+00:0003/05/2019|

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