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La vida artificial ya está aquí | EL PAÍS

El ensamblaje del ADN permite fabricar una levadura con una parte de su genoma sintética

El avance permitirá conseguir mejores antibióticos o biocombustibles

 

Científicos de varias universidades norteamericanas y europeas han logrado “el monte Everest de la biología sintética”, como dicen los editores de Science: el primer cromosoma eucariótico fabricado en el laboratorio. Se trata de un cromosoma de levadura, el hongo que se usa para hacer cerveza, pan, biocombustible y la mitad de la investigación sobre los organismos eucariotas, como nosotros. La capacidad de introducirle un cromosoma sintético a ese organismo permitirá mejorar todo lo anterior, como hacer biocombustibles más sostenibles para el entorno o diseñar nuevos antibióticos, además de un nuevo continente de investigación sobre la pregunta del millón: cómo construir el genoma entero de un organismo superior. La reconstrucción de un neandertal, por ejemplo, sería imposible sin este paso esencial.

La biología sintética es una disciplina emergente que trata no ya de modificar organismos, sino de diseñarlos a partir de principios básicos. En los últimos cinco años ha logrado avances espectaculares, como la síntesis artificial del genoma completo de una bacteria y varios virus. Pero esta es la primera vez que consigue fabricar un cromosoma completo y funcional de un organismo superior, o eucariota (una célula buena, en griego, la que forma los humanos). El consorcio liderado por Jef Boeke, director del Instituto de Genética de Sistemas de la Universidad de Nueva York, presenta su rompedor resultado en la revista Science.

“Nuestra investigación mueve la aguja de la biología sintética desde la teoría hasta la realidad”, dice Boeke, uno de los pioneros de este campo. “Este trabajo representa el mayor paso que se ha dado hasta la fecha en el esfuerzo internacional para construir el genoma completo de una levadura sintética”.

Boeke empezó este proyecto hace siete años en otra universidad, la Johns Hopkins de Baltimore, enrolando a 60 estudiantes universitarios en un proyecto llamado Build a genome (construye un genoma). Las técnicas para sintetizar ADN han mejorado mucho en la última década, pero suelen producir tramos bastante cortos de secuencia, no mucho más allá de 100 o 200 letras (tgaagcct…). Los estudiantes se ocuparon de ir pegando esas secuencias sintéticas en tramos cada vez mayores. El cromosoma final mide cerca de 300.000 letras.

Que un hito científico se refiera a la levadura (Saccharomyces cerevisiae),un hongo unicelular que ya utilizaban los antiguos egipcios para hacer la cerveza, parece una buena paradoja o un mal chiste, pero no es así. La división fundamental entre todos los seres vivos de la Tierra no es la que existe entre plantas y animales, ni entre microorganismos y especies grandes o macroscópicas: es entre procariotas (bacterias y arqueas) y eucariotas (todos los demás, incluidos nosotros).

Y lo importante de la levadura es que, por mucho que sea un organismo unicelular, cae en nuestro lado de la barrera. No es exagerado decir que la mayor parte de lo que sabemos sobre la biología humana se debe a la investigación de este familiar hongo de apariencia modesta. La levadura tiene unos 6.000 genes, y comparte un tercio de ellos con el ser humano, pese a los 1.000 millones de años de evolución que nos separan.

Los cromosomas son los paquetes en que se reparte el genoma de los organismos superiores, o eucariotas. Son mucho más que un trozo de ADN: están empaquetados en complejas arquitecturas formadas por centenares de proteínas que interactúan con el material genético, como las histonas. Están dotados de un centrómero, la maquinaria especializada en distribuir una copia del genoma a cada célula hija en cada ciclo de división celular; y sus extremos están protegidos por unos sistemas singulares, los telómeros, que garantizan la integridad de la información genética en cada ciclo de replicación. De ahí que el logro actual vaya mucho más allá que la síntesis del genoma de una bacteria que se había logrado hasta ahora.

Los humanos tenemos el genoma dividido en 23 cromosomas (o pares de cromosomas); la levadura lo tiene distribuido en 16, y los científicos se han centrado en el más pequeño de ellos, el número 3. Han extraído al hongo su cromosoma 3 natural y lo han sustituido por su versión sintética, llamada synIII, que cubre las funciones de su colega natural pese a estar extensivamente alterado con toda clase de elementos artificiales diseñados para facilitar su manipulación en el futuro inmediato.

La fabricación de antibióticos es actualmente obra de microorganismos

Que el cromosoma sintético funcione en su entorno natural, una célula viva de levadura, es el verdadero hito del trabajo, según los investigadores. “Hemos mostrado”, dice Boeke, “que las células de levadura que llevan el cromosoma sintético son notablemente normales; se comportan de forma casi idéntica a las levaduras naturales, salvo por que ahora poseen nuevas capacidades y pueden hacer cosas que sus versiones silvestres no pueden hacer”.

La versión natural del cromosoma 3 de Saccharomyces cerevisiae tiene 316.667 bases (las letras del ADN a, g, t, c). La versión sintética es un poco más corta, con 273.871 bases, como consecuencia de las más de 500 alteraciones que los científicos han introducido en él. Entre estas modificaciones se encuentra la eliminación de muchos tramos de ADN repetitivo que no tienen función alguna, ya estén situados entre un gen y otro (secuencias intergénicas) o dentro mismo de los genes (intrones).

También han eliminado los transposones, o genes que saltan de una posición a otra en el genoma de todos los organismos eucariotas. El cromosoma artificial synIII también lleva muchos tramos de ADN añadidos por los investigadores. El número total de cambios de un tipo u otro se acerca a los 50.000, pese a lo cual el cromosoma sintético sigue siendo funcional.

Pese a sus evidentes implicaciones para la biología fundamental –¿puede construirse el genoma de un organismo superior, incluido el ser humano, a partir de compuestos químicos sacados de un bote de la estantería?—, el proyecto tiene sobre todo objetivos aplicados. Y no solo en las áreas industriales, como la fabricación de pan y bebidas, en las que este organismo se ha utilizado siempre.

Ya ha habido virus y bacterias de laboratorio

Una de las aplicaciones que resaltan los autores es la mejora en la manufactura de medicinas como la artemisina para la malaria o la vacuna para la hepatitis B. Como la mayoría de los antibióticos provienen de hongos, y la levadura es uno de ellos, también cabe predecir avances en el diseño y producción de estos medicamentos.

Más a largo plazo, las levaduras sintéticas pueden facilitar la síntesis de medicamentos anticancerosos como el Taxol, cuya vía de síntesis es tan complicada e implica a tantos genes que supone un formidable escollo para las tecnologías convencionales. En un área industrial muy distinta, esta tecnología, según esperan sus autores, servirá para desarrollar biocombustibles más eficaces que los actuales, entre ellos alcoholes como el butanol, y también diésel de origen biológico.

Y, por supuesto, synIII es solo el primero de los 16 cromosomas de la levadura que los investigadores logran sintetizar. Los intentos de repetir la hazaña con los otros 15 cromosomas ya están en proyecto, y forman parte de un programa internacional llamado Sc 2.0 que implica a científicos de Estados Unidos, China, Australia, Singapur y el Reino Unido. En el nombre del proyecto, Sc es por Saccharomyces cerevisiae,el nombre científico de la levadura de la cerveza, y el 2.0 quiere enfatizar lo mucho que los seres vivos están a punto de parecerse a cualquier otro desarrollo tecnológico. El objetivo es construir un genoma completo de levadura, o el primer organismo complejo sintetizado en el tubo de ensayo.

Echando la vista más hacia el futuro, cabe especular sobre la resurrección de especies extintas como el mamut o el neandertal, cuyos genomas ya han sido secuenciados a partir de sus restos fósiles. Si estos proyectos llegan a abordarse alguna vez, tendrán que basarse en una técnica similar a la que Boeke y sus colegas acaban de poner a punto para este engañosamente simple hongo que tan servicial ha resultado a la especie humana desde los albores del neolítico.

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La célula: una biblioteca de imágenes

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Dos recursos gratuitos imprescindibles para los estudiantes de citología e histología. Buenas resoluciones en las fotografías y unas explicaciones más que suficientes de las figuras. 
Ojalá dentro de unos años podáis vosotros añadir imágenes de vuestras investigaciones en estos y otros blogs universitarios. GRACIAS MIL!
 

 La célula: una biblioteca de imágenes – Imágenes de Cellcomponent: retículo endoplasmático.

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Maquinaria del tráfico celular

Al tiempo que usted lee este artículo, millones de terminales nerviosos liberan sustancias químicas que permiten a las neuronas comunicarse y que, en última instancia, le posibilitarán entender —o al menos eso esperamos— lo que pretendemos contarle. Bernhard Katz (premio Nobel en 1974) reveló que un impulso nervioso aumenta la concentración del ion calcio causando la liberación del neurotransmisor almacenado en pequeños paquetes, las vesículas sinápticas. De manera similar se produce la liberación al torrente sanguíneo de hormonas, como la insulina en las células pancreáticas, o de los mediadores inflamatorios en las células del sistema inmune.

Este año, el Premio Nobel de Fisiología o Medicina ha reconocido los descubrimientos de la maquinaria molecular que hace que las sustancias que una célula fabrica y almacena puedan liberarse de manera precisa y controlada, salvando la membrana celular que separa el interior celular del medio externo. Los galardonados han sido James E. Rothman (Universidad de Yale), Randy Scheckman (Universidad de Berkeley) y Thomas C. Südhof (Universidad de Stanford).

Thomas Südhof. / JORGE GUERRERO (AFP)

A principios de los años ochenta, Scheckman utilizó un organismo unicelular, la levadura de la cerveza, para identificar genes clave codificadores de proteínas implicadas en el transporte intracelular. Las levaduras se parecen mucho a las células de mamífero y su manipulación genética es sencilla. En levaduras mutantes, Scheckman asoció genes concretos con alteraciones específicas del tráfico intracelular.

Rothman estudió el transporte en las cisternas de un compartimento celular —el aparato de Golgi— de donde purificó proteínas que serían cruciales en los modelos de fusión vesicular, como NSF y SNAP. Vivek Malholtra, hoy en el Centro de Regulación Genómica de Barcelona, estudió con Rothman la proteína NSF.

Las maquinarias moleculares dentro de la célula están formadas por múltiples proteínas que interaccionan entre sí como lo haría la maquinaria de un reloj. En 1993, Rothman, interesado en identificar las piezas de la maquinaria encargada de la fusión vesicular, utilizó, en colaboración con Richard Scheller (hoy en Genentech, EE UU), las proteínas NSF y SNAP como cebos para capturar bioquímicamente otras que engranasen con ellas. Así identificó tres proteínas de los terminales nerviosos previamente descritas por otros investigadores (sintaxina, SNAP25 y VAMP/sinaptobrevina), cuya asociación denominó posteriormente complejo SNARE, y propuso que este podía constituir la maquinaria general para posibilitar la fusión de una vesícula con la membrana celular, igual que dos pompas de jabón de funden cuando se tocan.

Randy W. Scheckman. / EFE

Es en el sistema nervioso donde esta maquinaria de relojería ha de tener mayor precisión, pues la transmisión sináptica acontece en milésimas de segundo. En 1985, Südhof inició su carrera con el propósito —en gran parte cumplido— de identificar todas las proteínas de una vesícula sináptica y comprender cómo estas inducen la liberación de los neurotransmisores, utilizando una poderosa combinación de genética y fisiología en ratones. Tanto de manera independiente, como en colaboración con el bioquímico Reinhard Jahn (Instituto Max-Planck, Göttingen) y con el biólogo estructural barcelonés José Rizo (UT Southwestern, Dallas), Südhof identificó y definió el papel de múltiples proteínas clave (incluidas las SNARE) en la fusión de las vesículas con la membrana celular. Una de estas proteínas es la sinaptotagmina, que Südhof demostró ser el sensor de calcio necesario para la liberación rápida de neurotransmisores. En esta demostración, una de las aportaciones clave de Südhof, participaron dos españoles, uno de los autores de este artículo (RF-C) y Rizo. La búsqueda de este sensor de calcio era una pregunta de enorme interés que permanecía abierta en la neurociencia desde hacía 50 años.

James Rothman. / AFP

La insaciable curiosidad de Südhof le ha llevado a abrir nuevas fronteras en la biología de los terminales nerviosos que han dado lugar al descubrimiento en su laboratorio de otras proteínas, las neurexinas y las neuroliguinas, cuya disfunción está implicada en trastornos cerebrales graves, como el autismo.

Las investigaciones premiadas este año son el paradigma de la investigación básica de excelencia, realizada para saciar la curiosidad humana, motor del progreso y esencial para avanzar en beneficio de la humanidad. En los tiempos que corren, es de esperar que noticias como esta estimulen el apoyo decidido a la investigación básica de calidad. La semana pasada, en la Universidad Internacional de Andalucía en Baeza, al poco de recibir la noticia de la concesión del Premio Nobel, Südhof declaraba que el conocimiento profundo del cerebro es esencial para poder tratar con éxito sus enfermedades. No podemos estar más de acuerdo con esa reflexión.

Rafael Fernández-Chacón es investigador del Instituto de Biomedicina de Sevilla (HUVR-CSIC-US) y profesor del Departamento de Fisiología Médica y Biofísica, Ciberned. Juan Lerma es el director del Instituto de Neurociencias de Alicante, CSIC-UMH.

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El propio cuerpo se defiende del cáncer

La nueva esperanza contra la enfermedad llega de fármacos que estimulan el sistema inmune

La terapia se ha mostrado eficaz en melanomas y, algo menos, en los casos de riñón y pulmón

 

Antoni Ribas aún recuerda la cara de asombro de sus compañeros cuando, al acabar la residencia, hace 17 años, les dijo que se iba a Estados Unidos a especializarse en inmunología tumoral. Por entonces, estimular las defensas del cuerpo para luchar contra el cáncer era considerado por la comunidad médica como un camino que no llevaba más que a una vía muerta.

Esa misma cara de sorpresa es la que, probablemente, hayan puesto algunos de aquellos colegas al ver los esperanzadores resultados de una nueva generación de fármacos que ayudan a que sea el propio cuerpo el que combata las células tumorales. Estos medicamentos, aún en desarrollo, tienen como objetivo impedir que las células cancerosas se escondan y escapen de las células del sistema inmune, los linfocitos. Con todas las reservas que hay que tomar en la lucha contra esta enfermedad tan compleja (o enfermedades, hay unas 200 distintas y cada paciente responde de forma diferente a cada una) ya hay quien habla de una nueva etapa frente al cáncer. “Los nuevos avances presentados constituyen en cierto modo una revolución en la estrategia para el tratamiento contra la enfermedad y, en algunos casos, marcará un antes y un después”, afirma César Rodríguez, secretario científico de la Sociedad Española de Oncología Médica (SEOM), quien asistió a la presentación de los resultados de algunas de estas terapias en el Congreso de la Sociedad Americana de Oncología Médica (ASCO) celebrado en Chicago hace unos meses.

Se trata de tratamientos experimentales en su gran mayoría

Antoni Ribas, que desde el Jonsson Comprehensive Cancer Center de la Universidad de California Los Ángeles (UCLA) se ha convertido en uno de los especialistas en inmunología tumoral más respetados del mundo, es el responsable de uno de los estudios que más atención ha despertado. El médico e investigador catalán ofreció los primeros resultados (fase I) obtenidos de la administración de lambrolizumab —un medicamento en desarrollo— en 135 pacientes con melanoma avanzado. En un 40% de los enfermos se consiguió reducir el tamaño del tumor en más de la mitad. Entre los que recibieron la dosis más alta, mostraron una mejoría el 52% de los pacientes. En general, se mostró eficaz en el 70% de los casos. Es “la mayor tasa de respuesta duradera al melanoma de cualquier fármaco probado hasta el momento para el melanoma, y sin efectos secundarios graves en la mayoría de los casos”, según los autores del ensayo.

Más allá de los resultados obtenidos, lo realmente interesante del fármaco es el cambio de concepto que supone su mecanismo de acción. El medicamento, desarrollado por Merck, no destruye las células cancerosas. Ni interfiere en mecanismos moleculares del tumor para que no prolifere. En lugar de ello, consigue desactivar el escudo que usan las células tumorales para camuflarse, despistar y esquivar al ataque de los linfocitos T, las células del sistema inmune encargadas de combatirlas.

Los linfocitos reconocen a las células tumorales a través de una molécula, denominada muerte programada 1 (PD-1, con siglas inglesas), que tienen en su membrana. Cuando esta proteína entra en contacto con la superficie de las células neoplásicas, las reconoce y el sistema inmune las ataca. La PD-1 actuaría como detector de células malignas de los linfocitos. Sin embargo, entre los mecanismos de resistencia que han desarrollado los tumores contra las estrategias de defensa del cuerpo se encuentra una proteína que está en la superficie de algunas células tumorales y que bloquea los detectores de células cancerígenas, los PD-1. Esta molécula, denominada PD-L1, se une a las proteínas PD-1 y las inactiva. De esta forma, el linfocito identifica a la célula tumoral como no peligrosa y no la ataca, por lo que el tumor sigue proliferando sin que se desate una respuesta del sistema inmune.

La inmunoterapia se abre paso

Estimular el sistema inmune contra el cáncer es una estrategia que se lleva desarrollando desde hace tres décadas sin que, hasta el momento, se hubieran conseguido resultados esperanzadores.

A partir de los últimos años se está avanzando en el conocimiento de los mecanismos que permiten a los linfocitos, las células del sistema inmunitario, combatir a las células tumorales.

Estas investigaciones han abierto las puertas a la posibilidad de elaborar fármacos, la gran mayoría aún en desarrollo, que capacitan a los leucocitos para detectar y combatir a las células tumorales y que esquivan las estrategias de engaño que desarrollan los tumores.

Los buenos resultados obtenidos, especialmente en el tratamiento del melanoma avanzado, gracias al uso de estas terapias, llevan a los médicos a la creencia de que se puede abrir una nueva etapa en la lucha contra la enfermedad.

E Este nuevo abordaje se sumaría a las técnicas actuales, que también son cada vez más eficaces. Por un lado, los tratamientos basados en la quimioterapia o la radioterapia. Por otro, los tratamientos específicos dirigidos a frenar la proliferación de cada tipo concreto de tumor.

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En la base de este mecanismo están los frenos que ha desarrollado el cuerpo humano para impedir los procesos autoinmunes. Estos fenómenos se desencadenan cuando se produce un desajuste en el sistema inmunitario por el cual las defensas combaten las células sanas que deberían proteger. La comunicación que se establece entre el PD-1 y el PD-L1 forma parte de las estrategias destinadas a que el sistema inmune reconozca a las células del propio cuerpo y no las considere peligrosas. Es decir, para que ataque agentes invasores o células malignas que se replican de forma descontrolada, pero no a sus propias células sanas. El problema surge cuando los tumores se disfrazan de células sanas generando PD-L1 o sobreexpresándolo, lo que les permite evadir su aniquilación.

El medicamento que ha desarrollado Ribas bloquea el receptor PD-1 de los linfocitos, de forma que las células tumorales ya no pueden disfrazarse de sanas. El estudio muestra cómo gracias a este fármaco, los linfocitos combaten no solo la neoplasia primaria sino también las metástasis.

Los laboratorios han advertido la importancia de esta estrategia terapéutica y están dedicando sus esfuerzos (y sus recursos) a explorar estas vías tan prometedoras que ya han dado sus primeros resultados. Es el caso del ipilimumab (Yervoy en su nombre comercial, de Bristol-Myers Squibb), que llegó al mercado español en diciembre del año pasado para tratar el melanoma metastásico en el que hubieran fallado terapias previas.

Este medicamento bloquea otra proteína de la membrana de los linfocitos T (la CTLA4) que también inhibe la activación de las defensas. Como el lambrolizumab, el fármaco se une al receptor de la célula del sistema inmune y permite que ataquen a las células neoplásicas.

El lambrolizumab fue eficaz en el 70% de los pacientes de un ensayo

Quizás el futuro de la inmunoterapia contra el cáncer consista en bloquear no uno, sino varios de los interruptores que apagan la actividad de los linfocitos. A esta dirección apunta otro de los trabajos que se presentaron en ASCO. Investigadores del Ludwig Center for Cancer Immunotherapy del Memorial Sloan-Kettering Cancer Center de Nueva York han combinado dos medicamentos que actúan sobre inhibidores del control inmunitario. Uno de ellos es el ipilimumab. El otro es un fármaco en desarrollo denominado nivolumab (otro inhibidor de PD-1). A pesar de que el ensayo se circunscribió a un grupo pequeño de pacientes (86) con melanoma metastásico, en determinadas dosis se produjo una reducción del tumor del 80% en la mitad de los enfermos a las 12 semanas.

Estos son algunos de los trabajos más sólidos. Pero hay bastantes más medicamentos que están explorando los caminos que eliminan las barreras que frenan la acción de los linfocitos contra el cáncer. Algunos son variaciones sobre el mismo tema, como la inhibición de los ligandos de la célula tumoral, la molécula PD-L1. En este caso, no se bloquea el receptor en los linfocitos que les impide actuar, sino el señuelo que emplea el cáncer para confundirlos.

El hospital Vall d’Hebron de Barcelona participa en un ensayo de un anticuerpo monoclonal (Medi4736) que bloquea el PD-L1 desarrollado por el laboratorio MedImmune. Javier Cortés, jefe de la Unidad de Cáncer de Mama y de la Unidad de Melanoma del centro, explica que están analizando sus efectos en pacientes con cáncer de mama. “Tenemos datos provisionales pero muy interesantes”, comenta.

La estrategia consiste en evitar que se escondan las células malignas

En todo caso, quedan cuestiones por resolver relacionadas con la inmunoterapia aplicada al cáncer. Por ejemplo, la diferente respuesta que se da entre los pacientes. Mientras en algunos es limitada, en otros es espectacular. Ribas cita el caso de una paciente con melanoma que participó en los primeros ensayos del fármaco ipilimumab, hace 12 años, y vio cómo su tumor ha llegado a desaparecer. En un 10% de los casos —como este—, la respuesta es duradera. El sistema inmune aprende a reconocer las células tumorales y a mantenerlas a raya, lo que supone una ventaja respecto al resto de tratamientos. “Quizás en los casos en los que hay una respuesta total se deba a que el sistema inmune de estos pacientes no está tan frenado como en el resto”, comenta Ribas.

Otro aspecto pendiente de resolver consiste en saber por qué los mejores resultados se han obtenido en pacientes con melanoma y, a distancia, cáncer de pulmón y riñón. “En los dos primeros, suelen ser tumores inducidos por agentes carcinógenos, como el sol o el tabaco, que provocan mutaciones del ADN. Es probable que debido a estas mutaciones generen proteínas que puedan reconocerse por el sistema inmune como extrañas y sean más fáciles de reconocer”, añade el médico e investigador de UCLA.

Más allá de estas cuestiones, los buenos resultados que está arrojando la inmunoterapia contra el cáncer dejan cada vez menos margen a los escépticos. “Los datos que están saliendo [de los ensayos] son espectaculares”, comenta Javier Cortés, “sobre todo en el caso del melanoma, cuyo tratamiento está sufriendo una revolución”. “Estamos empezando a conocer mucho mejor la respuesta inmune [contra los tumores], de forma que la podamos potenciar y optimizar”.

Algunos de los tratamientos sí han resultado eficaces a largo plazo

Javier Guillem incide en ello. Este especialista es el jefe de oncología médica del Instituto Valenciano de Oncología (IVO), una fundación especializada en el tratamiento de las neoplasias que funciona como centro de referencia en la Comunidad Valenciana. Guillem se define como un converso. “Yo era un escéptico de la inmunoterapia, pero ahora creo en ella”, comenta con media sonrisa.

Este oncólogo recuerda que desde hace décadas se han estado usando fármacos (interleuquinas, citoquinas como el interferón) que potencian el sistema inmune contra el cáncer. Sin embargo, no se sabía demasiado bien cómo actuaban. La diferencia con el momento actual es que “el cáncer se escapa de los mecanismos de defensa del cuerpo y ahora sabemos por qué”. “Ahora sí puedo afirmar que creo en la inmunoterapia”, sostiene, “no es una teoría, sino que comienza a dar buenos resultados e incluso en algunos casos mejores que con cualquier otra terapia”.

Además de la quimioterapia y los tratamientos personalizados basados en las características genéticas de cada individuo, todo apunta a que la oncología contará en breve con nuevas herramientas basadas en la inmunoterapia, fruto de los fármacos que ya se están desarrollando, así como del resto de líneas de investigación en proceso. “En los últimos 10 años se ha generado más información científica relacionada con el cáncer que en los 2.000 años anteriores”, destaca Guillem.

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RNAi Treatment Steps Up | Science

Laguna Design/Science Source. Quieting disease. siRNA molecules like the one shown here (purple and green coils) may treat an inherited liver illness, a new study reports.

RNA interference (RNAi), a technique for silencing genes that shows potential for treating diseases, has been like a hot baseball prospect who hasn’t proven he can play in the big leagues. But now RNAi has turned in a performance that is winning researchers’ praise. A new study shows that the approach can dramatically and safely cut levels of a protein that causes a rare liver disease.

Our cells rely on RNAi—deploying diminutive RNA molecules such as microRNAs and small interfering RNAs (siRNAs)—to turn down activity of specific genes. Researchers only discovered this process in the late 1990s, but they’ve already begun dozens of clinical trials to gauge whether infusing patients with these small RNAs works against a range of diseases, from lung infections to liver cancer to age-related macular degeneration, a sight-stealing condition that mainly affects people over the age of 50. Although some results are promising, what remains unclear is whether an effective dose of RNAi will also be safe, says nucleic acid biologist Mark Kay of Stanford University in Palo Alto, California.

In the new work, neurologist Teresa Coelho of the Hospital de Santo Antonio in Portugal and colleagues tested RNAi in patients who had transthyretin amyloidosis, a fatal genetic disease in which liver cells pump out excess amounts of a protein called transthyretin. Normally, transthyretin ferries hormones through the blood, but the extra protein builds up in the nerves, the heart, and elsewhere in the body. Although liver transplants can lengthen the lives of some patients, the disease remains incurable.

The team infused 24 transthyretin amyloidosis patients with an siRNA that curbs cells’ production of the protein. Because RNA-destroying enzymes prowl the spaces between our cells, the siRNAs were tucked inside tiny lipid droplets, known as lipid nanoparticles. Control patients received an infusion of saline. Using a group of healthy subjects, the researchers also tested a slightly different lipid nanoparticle that carried the same siRNA.

In the transthyretin amyloidosis patients, siRNA treatment cut transthyretin levels by 38% after 7 days, the researchers report online today in The New England Journal of Medicine. The healthy patients who received the alternative lipid nanoparticles showed an even bigger decrease, averaging as much as 87%. Those results reveal that liver cells absorbed the lipid nanoparticles and the siRNAs inside turned down transthyretin output. Coelho calls this an “important reduction” in the protein, though the researchers didn’t determine whether siRNA slowed the progress of the disease. They will be measuring that in a 15-month follow-up study that will take place in the United States, Europe, and South America.

Some patients developed allergylike reactions, with symptoms such as flushing and chest tightness. But these problems usually went away if the delivery of the nanoparticles was stopped and then resumed at a slower pace, Coelho says.

The study “unambiguously shows that you can achieve a robust [protein decrease] in humans using RNAi therapeutics,” Kay sats. “This opens the door to medicinal RNAi,” adds molecular biologist David Corey of the University of Texas Southwestern Medical Center in Dallas.

siRNAi therapy could also work against other liver diseases, says molecular geneticist John Rossi of City of Hope in Duarte, California. But he cautions that “since the lipid carriers primarily target the liver, it is not apparent to me if nonliver based diseases can be treated in a similar fashion.”

Controlling diseases such as transthyretin amyloidosis would presumably require multiple treatments over several years, so researchers also need to find out if the siRNA and lipid nanoparticle combination is safe over the long term, Kay says.

RNAi Treatment Steps Up | Science/AAAS | News.

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La mitocondria se queda vieja en los libros de texto | Biociencia

  • Un trabajo redefine los mecanismos celulares de obtención de energía
  • Científicos españoles demuestran que la mitocondria se adapta a cada dieta
  • El hallazgo abre nuevas vías de estudio de la obesidad y otras enfermedades

Reconstrucción molecular del complejo de la mitocondria.| CNIC

Si rebusca en su memoria, seguro que recuerda aquellas explicaciones en los libros de Biología sobre el funcionamiento de la célula. Dentro de aquellos dibujos, la mitocondria (con aspecto de alubia) se describía como la encargada de suministrar la energía que necesitan las células para funcionar. Los textos más avanzados, como los dirigidos a estudiantes de Medicina, iban más allá y entraban en detalles de qué partes de este orgánulo (y de qué manera) formaban el ‘generador energético’ del cuerpo humano. Un estudio español publicado esta semana en la revista ‘Science’ obligará a corregir esos libros de texto.

El estudio, dirigido por José Antonio Enríquez, investigador del Centro Nacional de Investigaciones Cardiovasculares (CNIC), es la confirmación de una propuesta que estos mismos investigadores realizaron ya en 2008, y que cuestionaba la explicación tradicional (iniciada en los años cuarenta del siglo XX y consolidada en los setenta) sobre cómo la mitocondria extrae y convierte la energía de los alimentos. En el hallazgo han colaborado también investigadores del Hospital Miguel Servet de Zaragoza y de La Princesa, en Madrid.

Para funcionar, la célula extrae su ‘gasolina’ de los nutrientes de los alimentos, aunque antes necesita transformarlos en compuestos más sencillos (como la glucosa de los azúcares, los aminoácidos de las proteínas, los ácidos grasos de la grasa…). Sólo una vez ya ‘desmenuzados’, esos compuestos pueden entrar en la mitocondria de las células para que ésta genere la energía necesaria.

Complejos mitocondriales (amplíe para ver en grande). | Javier Novo, Universidad de Navarra.

La mitocondria transforma la energía en una molécula utilizable universalmente (llamada ATP) a través de cinco ‘máquinas’, los llamados complejos moleculares I, II, III, IV y V. Hasta hace muy poco se aceptaba que esos complejos ‘nadaban’ libres en la membrana interna de la mitocondria y no interaccionaban entre sí, algo que se ha demostrado inexacto.

El trabajo liderado por Enríquez demuestra, por el contrario, que los cinco complejos no son independientes, sino que se asocian físicamente en distintas combinaciones que tienen como objetivo optimizar la extracción de energía.

“Esto quiere decir que el sistema para optimizar la extracción de energía de los alimentos es más versátil de lo que se creía y puede modularse para ajustarse a la composición de los alimentos de la dieta“, señala el investigador principal del estudio. “Por ejemplo, las neuronas no pueden alimentarse de ácidos grasos sino que lo hacen a partir del piruvato, una sustancia derivada de la glucosa. Cuando ayunamos, el hígado, que puede alimentarse de ambos compuestos, decide tomar los ácidos grasos (como fuente de energía) y así reservar la glucosa para el cerebro”, explica Enríquez.

Este tipo de adaptaciones se realiza gracias al diferente esamblaje que hacen las ‘máquinas’ entre sí, según la nueva teoría propuesta. “Nuestro modelo no anula al anterior, que quedó establecido a finales de los setenta, sino que lo amplía, porque decía que todas las células del organismo funcionan de igual manera, pero lo que nosotros decimos es que hay una riqueza mayor para poder explicar todo esto y eso es gracias a los distintos esamblajes que establecen estos complejos”, afirma.

Investigación básica y clínica

Por otro lado, fruto de este estudio, se ha llegado a un descubrimiento inesperado. La estirpe de ratón más utilizada en estudios genéticos tiene dañado el mecanismo de esamblaje, por lo que se han planteado dudas de cómo interpretar y trasladar a los humanos las observaciones realizadas en esos modelos de ratón. “Esto es un aviso a tener presente cuando interpretamos los resultados de diferentes investigaciones”, advierte Enríquez.

A raíz de este hallazgo, el objetivo de este grupo de investigación es hacer estudios comparativos con estos ratones y otros, que tras añadirles un gen, sí que tienen procesos de ensamblaje entre las diferentes ‘máquinas’ de la mitocondria.

En cuanto a cómo el nuevo modelo mitocondrial puede afectar a la práctica clínica, Enríquez señala que este avance abre varias vías de investigación. “Por un lado, queremos explorar cómo las distintas situaciones nutricionales condicionan la respuesta del organismo. Porque creemos que este mecanismo de ensamblaje podría estar implicado en el motivo de que unas personas engorden más que otras al tomar un alimento o expliquen por qué una dieta engorda más que otra”.

También va a supeditar la forma en cómo se estudien a partir de ahoralas enfermedades mitocondriales. “Son patologías terribles e incurables y generan muchos interrogantes. Uno de ellos era saber por qué dos personas con el mismo defecto genético tienen enfermedades distintas. Esto no lo entendíamos hasta ahora. Pensamos que el nuevo modelo puede ayudar a interpretar mejor las razones y los síntomas”.

Una tercera avenida de estudio que se abre con este cambio conceptual es analizar cómo este esamblaje cambia con un ataque al corazón o con un infarto cerebral. “Dos de estas máquinas, la I y la III, son responsables de producir especies reactivas de oxígeno [su exceso mata al corazón]. Queremos saber si podemos regular esto y producir moléculas que generen una protección cardiaca”.

No obstante, este investigador advierte que no quiere dar falsas esperanzas. “No estamos cerca de controlar todo esto, necesitamos tiempo. Pero estamos trabajando dentro del CNIC, un centro que tiene una visión de futuro. Esto es el principio, es un gran cambio conceptual”, concluye.

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¿Cómo viajan las proteínas a través del Aparato de Golgi? |Scitable

El aparato de Golgi transporta y modifica las proteínas en las células eucariotas.¿Cómo han estudiado los científicos los movimientos dinámicos de proteínas a través del aparato de Golgi?

El aparato de Golgi es el orgánulo central de la mediación de la proteína y el transporte de lípidos dentro de la célula eucariota Normalmente, los libros de texto ilustran el aparato de Golgi como algo parecido a una pila de pan de pita. Sin embargo, esta representación no ilustra adecuadamente la naturaleza dinámica de los compartimentos del Golgi (llamados cisternae) o la variedad de morfologías con que el aparato de Golgi se manifiesta en diferentes tipos de células. Podemos aprender mucho simplemente preguntándonos por qué existen siquiera estas estructuras tan diversas. Los investigadores aún no entienden completamente cómo diversas morfologías del Golgi pueden afectar a su función. Sin embargo, los científicos están utilizando actualmente las sutiles variaciones de su morfolofgía entre los diferentes tipos de células para preguntarse cómo se mueven las proteínas a través del aparato de Golgi.

¿Qué sucede con las proteínas mientras se mueven por el aparato de Golgi?

El aparato de Golgi procesa las proteínas realizadas por el retículo endoplasmático (ER) antes de enviarlas a la célula. Las proteínas entran en el aparato de Golgi en el lado orientado hacia el ER (lado cis), y salen en el lado opuesto de la pila, frente a la membrana plasmática de la célula (lado trans). Las proteínas deben hacer su camino a través de la pila de cisternas que intervienen y en el camino serán modificadas y acondicionadas para su transporte a diferentes lugares dentro de la célula (Figura 1). Las cisternas del Aparato de  Golgi varían en número, forma y organización en diferentes tipos de células. La representación esquemática típica de tres grandes cisternas (cis, medial y trans) es en realidad una simplificación. A veces, regiones adicionales se añaden a cada lado, y se llaman la red cis del Golgi cis (CGN, cis Golgi net) y la red trans del Golgi (TGN, trans Golgi net). Estas redes tienen una estructura más variable, incluyendo algunas regiones like-cisternas y en algunas ocasiones regiones vesiculadas.

Figura 1: El aparato de Golgi modifica y ordena las proteínas para el transporte a lo largo de la célula. El aparato de Golgi se encuentra a menudo en estrecha proximidad a la sala de emergencias en las células. Proteína de carga se mueve desde el RE al aparato de Golgi, se modifica en el aparato de Golgi, y se envían a continuación a varios destinos en la célula, incluyendo los lisosomas y la superficie de la célula.

Cada cisterna o de la región del aparato de Golgi contiene diferentes enzimas de modificación de proteínas. ¿Qué hacen estas enzimas? Las enzimas del Golgi catalizan la adición o eliminación de los azúcares de las proteínas de carga (glicosilación), la adición de grupos sulfato (sulfatación), y la adición de grupos fosfato ( fosforilación). Las Proteínas de carga son modificadas por enzimas (llamadas enzimas residentes) ubicadas dentro de cada cisterna. Las enzimas añaden secuencialmente las modificaciones pertinentes a las proteínas de carga. Algunas modificaciones mediadas por el Golgi actúan como señales para dirigir las proteínas a sus destinos finales dentro de las células, incluyendo los lisosomas y la membrana plasmática. ¿Qué sucede cuando hay defectos en la función del Golgi? Los defectos en varios aspectos de la función de Golgi pueden dar como resultado trastornos congénitos de glicosilación, algunas formas de distrofia muscular, y pueden contribuir a la diabetes, cáncer y la fibrosis quística (Ungar 2009).

¿Cómo se mueven las proteínas de carga entre las cisternas del Golgi?

Los científicos han propuesto dos explicaciones posibles: el modelo de transporte vesicular y el modelo de maduración cisternal. Curiosamente, ambos modelos explican las condiciones de estado estacionario del aparato de Golgi y los procesos, sin embargo lo hacen muy diferente (Figura 2). En 2002 James Rothman y Randy Schekman ganaron el Premio Lasker por su trabajo pionero que detalla los sistemas de vesícula y membrana que hacen que la secreción sea posible en las células eucariotas. Estos dos científicos trabajaron de forma independiente utilizando diferentes organismos modelo y diferentes enfoques biológicos (Strauss 2009). Juntos lograron un fuerte evidencia de que hay moléculas y procesos comunes que participan en la fusión de membranas y la fisión en eucariotas. Rothman y sus colegas reconstituyeron bioquímicamente las membranas de Golgi de mamíferos, aislaron vesículas capaces de pasar de una cisterna a otra. Como un enfoque diferente, Schekman y sus colegas utilizaron la genética de levaduras para identificar y caracterizar muchas de las proteínas importantes que participan en la secreción de este eucariota unicelular. Con el tiempo Rothman y el trabajo de Schekman convergieron en varias moléculas importantes que participaron en la formación y fusión de vesículas, lo que condujo a lo que se dio en llamar el modelo de transporte vesicular.

Figura 2: Dos modelos de tráfico de proteínas a través del Golgi
(A) El modelo de la maduración cisternal de movimiento de la proteína a través del aparato de Golgi. Como una nueva cisterna cis se forma atraviesa la pila de Golgi, cambiando a medida que madura al acumular, entonces enzimas trans medial a través de vesículas que se mueven de adelante a principios de cisternas (tráfico retrógrado). (B) El modelo de transporte vesicular, donde cada cisterna permanece en un solo lugar con enzimas que no cambian, y las proteínas se mueven hacia adelante a través de la pila a través de vesículas que se mueven desde temprano para luego cisternas (tráfico anterógrada).


Modelo de Transporte vesicular: Evidencias

Una de las principales observaciones del grupo de Rothman fue que las vesículas que se formaron en el aparato de Golgi trasladaron proteínas de carga entre las cisternas de la cara cis a la cara trans. Estas observaciones apoyan el modelo de transporte vesicular originalmente desarrollado y defendido por George Palade y Marilyn Farquhar (Farquhar y Palade, 1998.) El modelo de transporte vesicular postula que las cisternas de Golgi son compartimentos estables que albergan ciertas enzimas de modificación de proteínas que funcionan para añadir o eliminar los azúcares, añadir grupos sulfato, y realizar otras modificaciones. Las vesículas llegan a cada cisterna que llevando proteínas de carga, que luego son modificadas por las enzimas residentes ubicados dentro de esa cisterna. A continuación, nuevas vesículas que llevan proteínasde carga brotan de la cisterna y viajan a la siguiente cisterna estable, donde la siguiente serie de enzimas adicionales procesa las proteínas de carga (Rothman y Wieland, 1996).

El Modelo de maduración cisternal

Antes de los trabajos de Palade, Farquhar, Rothman y otros, que analizaron las proteínas de vesículas en movimiento entre cisternas de Golgi, los científicos pensaban que cada cisterna del Golgi era transitoria y que las cisternas se trasladaban desde la cara cis a la trans del Golgi, cambiando con el tiempo. El movimiento de las proteínas como pasajeros en cisternas a través de la pila de Golgi se denomina el modelo de maduración cisternal. Este modelo propone que las enzimas presentes en cada cisterna individual cambian a medida que pasa el tiempo, mientras que las proteínas de carga permanecen en el interior de la cisterna. Antes del trabajo de Rothman en vesículas, este modelo tuvo un amplio apoyo. Sin embargo, una vez que los científicos identificaron un gran número de pequeñas vesículas de transporte que rodean el aparato de Golgi, los investigadores desarrollaron el modelo de transporte vesicular como una actualización de ésta. Sin embargo, como suele ocurrir en la ciencia (y la moda), las viejas ideas a veces regresan de nuevas maneras.
 

¿Qué nueva evidencia apoya el modelo de maduración cisternal?

En la década de 1990 los científicos estudiaron varios tipos de células para ampliar nuestra comprensión del Golgi. Alberto Luini y sus colegas utilizaron células de mamífero en cultivo para investigar cómo los grandes complejos de proteínas se movieron a través del aparato de Golgi. Los investigadores utilizaron inmunomicroscopía seguir el camino que seguían rígidos trímeros de procolágeno, en forma de barra de unos 300 nm, a través del Golgi en fibroblastos de mamífero. Luini y sus colegas observaron procolágeno sólo dentro de cisternas del Golgi, y nunca dentro de las vesículas, que son normalmente mucho más pequeñas (<100 nm de diámetro) que el procolágeno (Bonfantiet al . 1998). Otros investigadores, como Michael Melkonian y sus colegas, observaron resultados similares en el estudio del aparato de Golgi de las algas. Varios tipos de protistas flagelados construyen y exportan escamas que se adhieren a la superficie celular de estos organismos. Las escamas tienen diversos tmaños y formas pero muy definidos. Los investigadores observaron que en diferentes especies de algas que exportan las muy grandes (1,5-2 mm) y las de tamaño moderado (~ 40 nm), las escamas se encontraron consistentemente dentro de las cisternas, pero no en el transporte de vesículas (Becker, y Bolinger Melkonian 1995; Becker & Melkonian 1996). Los resultados de estos diversos tipos de células confirman el modelo de maduración cisternal de transporte de proteínas a través del aparato de Golgi.

¿Cuáles fueron las vesículas que Rothman descubrió en el aparato de Golgi? El modelo de maduración cisternal actual propone que estas vesículas son vehículos de transporte para las enzimas del Golgi y no para las  proteínas de carga. Las vesículas retrógradas que viajan hacia atrás en el aparato de Golgi brotan de una cisterna para transferir enzimas a las cisternas más jóvenes. Mientras tanto, otros vesículas, procedentes de cisternas mayores, llevan las enzimas necesarias para los próximos pasos en la modificación de proteínas (Glick y Malhotra 1998; Pellham 1998).

¿Qué modelo es más preciso?

Hoy en día la mayoría de los investigadores coinciden en que la evidencia favorece el modelo de maduración cisternal del Golgi (EMR et al. 2009). La evidencia en apoyo de este modelo proviene de los laboratorios de Benjamin Glick y Akihiko Nakano, que al mismo tiempo lleva a cabo experimentos que demostraron sorprendentemente el proceso de maduración cisternal. En un ensayo visual impresionante, ambos laboratorios utilizaron la microscopía de fluorescencia de células vivas para observar directamente la maduración cisternal del Golgi en Saccharomyces cerevisiae (levadura de panadero) (Figura 3) (Losev y col2006;. Matsuura-Tokita y col 2006;. revisado en Malhotra y Alcalde 2006). El aparato de Golgi de S. cerevisiae tiene una estructura llamativa, o más bien, una llamativa falta de estructura. En lugar de aparecer como la pila típica de pan de pita, en S. cerevisiae el Golgi es menos organizado. Las cisternas individuales se extienden de una manera irregular por toda la célula. Esta estructura inusual era ideal para el uso de microscopía de luz para observar los cambios en las cisternas individuales con el tiempo. El modelo de transporte vesicular podría predecir que una cisterna cis individual permanecería cis, con enzimas cis característicos, en toda su vida útil. Sin embargo, el modelo de maduración cisternal podría predecir que una cisterna cis recién formada eventualmente maduraría como cisterna medial, y a continuación, una cisterna trans, antes de romperse cuando su contenido se envasara para su destino final en la célula.

En sus experimentos, los dos grupos de investigación vincularon proteínas fluorescentes (verde brillante o rojo) a las proteínas presentes en diferentes cisternas individuales de S. cerevisiae , y siguieron a estas moléculas de color todo el tiempo. Los investigadores diseñaron los experimentos para poner a prueba las predicciones de los modelos de maduración cisternal y transporte vesicular. Si el modelo de transporte vesicular era correcto, entonces las cisternas serían estable y mantendrían las mismas proteínas residentes de Golgi marcadas con fluorescencia todo el tiempo. Por el contrario, si el modelo de maduración cisternal no era correcto, entonces cada cisterna contendría un conjunto cambiante de proteínas del Golgi con el tiempo. En sus experimentos, los investigadores crearon hermosas películas de la levadura y observaron que las cisternas individuales cambiaban de color con el tiempo. Después de analizar una variedad de proteínas de Golgi, los investigadores observaron consistentemente los cambios en la composición proteica de cisternas individuales con el tiempo. Sus resultados proporcionan una fuerte evidencia para el modelo de maduración cisternal.

 

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