De pesca: un cribado de redes de proteínas identifica nuevas dianas terapéuticas en la enfermedad de Huntington
Un cribado «basado en el descubrimiento» revela nuevas redes de proteínas implicadas en el daño de la enfermedad de Huntington y nuevas dianas farmacológicas
La proteína huntingtina mutante no causa daños de forma aislada: todas las proteínas funcionan en redes conectadas. Investigadores del Buck Institute for Research on Aging de California han llevado a cabo un cribado a gran escala para identificar redes de proteínas que puedan estar actuando para aliviar o empeorar los efectos nocivos de la mutación de la enfermedad de Huntington. ¿Podría la manipulación de estas redes ofrecer nuevas opciones terapéuticas para la EH?
La proteína huntingtina: llegando a la raíz del problema
2013 marca el 20 aniversario del descubrimiento de la causa genética de la enfermedad de Huntington. Por primera vez, los científicos descubrieron que una secuencia de ADN repetida en un solo gen era anormalmente larga en las personas que desarrollan la EH. Cada uno de nuestros genes proporciona las instrucciones que nuestras células necesitan para fabricar una proteína en particular, que en el caso del gen de la EH es una proteína que llamamos huntingtina. La mutación de este conjunto de instrucciones genéticas hace que la proteína huntingtina se construya con un error, lo que provoca cambios sutiles en el comportamiento celular de la proteína. A medida que una persona con EH envejece, estos cambios tienen graves consecuencias, sobre todo en las neuronas del cerebro.
Este descubrimiento innovador hizo posible que los científicos centraran sus esfuerzos en una tarea muy específica; para comprender realmente la enfermedad, tendrían que aprender todo lo posible sobre la propia proteína huntingtina. Esto significa saber no solo lo que hace la proteína huntingtina en el cuerpo de un individuo sano, sino también lo que va mal en la enfermedad.
¿Qué podría ser tan importante de una proteína?
A menudo se dice que las proteínas tienen ‘funciones’ específicas en la célula. Para entender lo que esto significa, puede ser útil imaginar cada célula de nuestro cuerpo como una fábrica muy concurrida. Se necesita mucha gente diferente haciendo muchos trabajos diferentes para que las operaciones de una fábrica funcionen sin problemas. Todos estos empleados tienen un conjunto específico de habilidades, y si una persona no hace su trabajo correctamente, la productividad de toda la fábrica está en riesgo.
Bueno, si nuestras células son como fábricas, las proteínas serían los empleados. Al igual que los trabajadores individuales, cada proteína tiene que hacer un conjunto de trabajos, o ‘funciones’. Cuando la proteína huntingtina muta en la EH, afecta a la forma en que la huntingtina realiza sus funciones.
Al igual que ninguna persona podría hacer todos los trabajos en la fábrica, ninguna proteína trabaja completamente sola. En cambio, existe como parte de una red de proteínas que interactúan entre sí para trabajar eficientemente en equipo. Así que para entender la función de una proteína, los científicos también deben determinar qué relación tiene con otras proteínas de la célula.
Se ha estimado que nuestro ADN proporciona las instrucciones para construir más de 30.000 proteínas diferentes. Comprender cómo están conectadas todas estas proteínas entre sí, y cómo podrían verse afectadas en la EH, se convierte en un reto casi abrumador.
Hipótesis y descubrimiento
Para ayudar a lidiar con la complejidad de la biología moderna, algunos investigadores han pasado de la investigación tradicional ‘basada en hipótesis’ a un enfoque llamado investigación ‘basada en el descubrimiento‘.
Una hipótesis es una predicción que un científico hace basándose en lo que ya sabe. Una buena hipótesis es aquella que puede ser fácilmente probada. He aquí un ejemplo sencillo: digamos que tenemos la hipótesis de que los gatos prefieren comer pollo a atún. Una forma de probar esto podría ser poner dos cuencos, uno con cada opción. Contando el número de gatos diferentes que se acercan a cada cuenco, se proporcionarán pruebas para apoyar o rechazar la hipótesis.
La investigación basada en hipótesis funciona muy bien, siempre que ya se sepa bastante sobre la cosa en particular que se está investigando. Sin embargo, cuando se pretende averiguar lo que hace una proteína en una red de miles de otras proteínas diferentes, el progreso puede ser bastante lento cuando se hace solo una pregunta a la vez. Imagínese que quisiera averiguar cuál es la comida favorita de los gatos entre 30.000 alimentos, ¡pero solo pudiera probarlos de dos en dos!
La investigación basada en el descubrimiento es una forma de destacar los procesos biológicos que podrían estar implicados en una enfermedad. Se podría decir que este enfoque no genera respuestas, sino
Los experimentos basados en el descubrimiento, llamados cribados, implican miles de mini-experimentos realizados simultáneamente.
“Algunas de las redes ya eran conocidas por estudios anteriores, pero otras no habían estado implicadas en la EH antes”.
En cierto modo, los cribados biológicos son un poco como la diferencia entre pescar con una red de arrastre en lugar de con una caña y un sedal. Es una técnica poderosa, pero requiere más esfuerzo para clasificar lo que se captura.
Silenciamiento de genes individuales con ARN de interferencia
Un nuevo estudio publicado en la revista PLOS Genetics, dirigido por el Dr. Robert Hughes del California Buck Institute for Research on Aging, describe un cribado basado en el descubrimiento que busca redes de proteínas afectadas por la huntingtina mutante. Utilizando una tecnología llamada ARN de interferencia, el equipo de Hughes trabajó para identificar proteínas individuales que podrían estar contribuyendo a los efectos nocivos de la proteína mutante.
ARN de interferencia significa interferencia de ARN, y es una forma de ‘silenciamiento génico’. El ARN de interferencia se utiliza para reducir el nivel de una sola proteína en la célula. Esto ayuda a determinar lo que podría hacer esa proteína y su importancia para otras actividades celulares.
El ARN de interferencia intercepta el mensaje químico que se produce cuando se está fabricando una proteína y lo destruye, impidiendo que se construya la proteína. Prácticamente cualquier gen y su proteína correspondiente pueden ser atacados utilizando ARN de interferencia.
Un cribado de ARN de interferencia y algunos fragmentos tóxicos
En primer lugar, el equipo de Hughes cultivó en el laboratorio células que habían sido modificadas genéticamente para que produjeran la parte más dañina de la proteína huntingtina mutante. Este ‘fragmento’ de huntingtina mutante hace que las células mueran más rápidamente si no se dispone de los nutrientes adecuados. La salud de las células puede evaluarse midiendo los cambios que se producen cuando una célula está muriendo.
Para identificar las proteínas implicadas en los efectos nocivos de la huntingtina mutante, el Dr. Hughes y sus colegas utilizaron una ‘biblioteca’ de más de 7.000 productos químicos de ARN de interferencia, cada uno de los cuales se dirigía a una proteína diferente.
Esos 7.000 productos químicos de ARN de interferencia se probaron cada uno en un lote separado de células. De este modo, los investigadores pudieron analizar los efectos de cada proteína que se ‘desconectaba’. Si el silenciamiento de un gen hace que las células mueran más rápidamente, sugiere que la proteína correspondiente podría estar protegiendo normalmente a la célula. Y si las células mueren más lentamente, significa que la proteína podría estar empeorando las cosas en la EH.
Haciendo números
Experimentos como este producen una tonelada de datos, por lo que se utilizan ordenadores para analizarlos y darles sentido. Afortunadamente, muchas redes de proteínas ya han sido cartografiadas utilizando enfoques científicos más tradicionales.
El ordenador crea un nuevo mapa, colocando los ‘aciertos’ de los nuevos datos en el mapa de la red existente. Utilizando esta técnica, el equipo de Hughes encontró algunas redes que tenían más aciertos de lo esperado, lo que indica que podrían ser importantes para el desarrollo de la enfermedad de Huntington.
Algunas de estas redes ya eran conocidas por estudios anteriores, lo que dio a los científicos la confianza de que su enfoque basado en el descubrimiento estaba funcionando. Sin embargo, también se encontraron con redes que no habían estado implicadas en la EH antes. Una red en particular, conectada a la huntingtina a través de una proteína llamada RRAS, fue destacada por el cribado.
Debido a las enormes cifras que intervienen, es importante realizar experimentos de seguimiento separados para verificar los hallazgos más llamativos. Así que el equipo de Hughes realizó experimentos en varios modelos celulares diferentes, así como en un modelo de mosca de la fruta con EH, y descubrió que la RRAS era capaz de proteger contra la muerte celular. Aún mejor, fueron capaces de señalar actividades específicas de las proteínas dentro de la red que podrían ser más fáciles de atacar con fármacos.
Conociendo nuestros límites
El aspecto más interesante de este estudio es que destacó nuevas redes que pueden estar implicadas en la enfermedad de Huntington. Sin embargo, al igual que no hay una red de pesca lo suficientemente grande como para arrastrar todo el océano, es probable que se hayan pasado por alto algunas redes de proteínas importantes con este trabajo.
Una de las razones de esto es el modelo celular utilizado en el cribado. En lugar de hacer que las células produzcan el gen de la huntingtina mutante de longitud completa, los investigadores optaron por utilizar solo un pequeño fragmento. Esto significa que cualquier proteína o red que dependa de la proteína huntingtina completa se habrá perdido.
Otra razón es el tipo de célula utilizado en los experimentos. Este trabajo se realizó con células disponibles en el mercado llamadas HEK293. Estas células son fáciles de cultivar en grandes lotes para experimentos a gran escala como este. Pero después de ser alteradas para tener propiedades tan fáciles, ya no se comportan igual que una célula normal y sana en el cuerpo, y ciertamente son muy diferentes de las neuronas.
Para compensar estas posibles debilidades en el modelo experimental del cribado inicial, todos los ‘aciertos’ del ARN de interferencia se volvieron a probar en líneas celulares que producen huntingtina de longitud completa, así como en modelos de mosca de la fruta más complejos de la enfermedad. Y la red RRAS se examinó en un modelo de ratón con EH.
¿Qué es lo siguiente?
Este trabajo representa un gran esfuerzo por parte de los investigadores implicados. ¡Los cribados biológicos requieren mucha planificación cuidadosa! Sin embargo, con este estudio en su haber, el equipo podría continuar este trabajo realizando un cribado similar en células que contengan huntingtina de longitud completa.
Cuando se trata de los aciertos del cribado actual, todavía hay mucho más que explorar. Un enfoque podría ser investigar la red RRAS – o incluso repetir el cribado – en modelos celulares más ‘precisos’, como las células madre generadas a partir de pacientes reales con EH.
Sea cual sea el futuro de esta investigación, este es un buen ejemplo de cómo la investigación basada en el descubrimiento puede generar nuevas dianas e ideas, siempre que sigamos siendo conscientes de las limitaciones de las técnicas. Esperamos aprender más sobre cómo estas nuevas redes de proteínas influyen en el desarrollo de la EH, así como sobre cómo podrían manipularse en la búsqueda de tratamientos.
