Un estudio revela cómo actúan las enzimas protectoras del genoma

Una técnica desarrollada por científicos brasileños en la Cornell University (EE.UU.) dilucida de qué manera orquestan las cinasas la defensa celular contra eventuales problemas que ocurren durante la replicación del ADN

Por Karina Toledo

Agência FAPESP – En un artículo publicado el 4 de marzo en la revista Molecular Cell, científicos de la Cornell University, en Estados Unidos, describieron una nueva técnica que permite entender minuciosamente la acción de las enzimas encargadas de proteger al genoma contra los problemas ocurridos durante el proceso de replicación del ADN.

Entre los autores se encuentran los brasileños Marcus Bustamante Smolka y José Renato Cussiol, ex becarios de doctorado de la FAPESP actualmente en Cornell, además de Francisco Bastos de Oliveira, quien recientemente fue contratado como docente de la Universidad Federal de Río de Janeiro (UFRJ).

“Esta nueva técnica podrá ayudar en el desarrollo de drogas con acción más específica contra distintos tipos de cáncer y en la comprensión de enfermedades relacionadas con el mal funcionamiento de las enzimas conocidas como cinasas o quinasas, que regulan todos los procesos importantes en el interior de las células”, afirmó Smolka.

Las cinasas se encargan de catalizar una reacción química conocida como fosforilación, que consiste en la transferencia de un grupo fosfato de moléculas de alta energía, como el ATP (trifosfato de adenosina), a proteínas blanco (sustratos).

Esta reacción, dependiendo del caso, puede hacer que la proteína blanco se active o se desactive, o incluso servir de señal para que la molécula se degrade. De esta forma, las cinasas regulan procesos tales como la división, la proliferación y la diferenciación celular, entre otros.

“De las más de 500 cinasas descritas en el genoma humano, se estima que entre cinco y diez desempeñen el papel de orquestar la defensa celular contra eventuales problemas en la replicación del ADN”, comentó Smolka.

Estos errores suelen producirse momentos antes de que la célula se divida, cuando las cadenas de ADN existentes en el núcleo se abren para que se pueda copiar el código genético.

“Desde la fecundación de un óvulo hasta la formación de un organismo adulto, el genoma debe replicarse más de 10 billones de veces. La célula necesita contar con un sistema que le permita detectar y operar con los defectos en el proceso de copia; de lo contrario, se produce una acumulación de daños en el genoma que torna inviable la vida. Las cinasas resultan esenciales en este proceso de contención de daños”, dijo Smolka.

Al detectar un daño, las cinasas accionan diversos "equipos de auxilio", en un intento por evitar que la célula se muera. “Es como si hubiese un gran escape de agua en la ciudad y la enzima fuese la encargada de cerrar el suministro, avisarles a los habitantes, llamar al equipo de reparaciones, avisarle a la policía que interrumpa el tránsito y así sucesivamente. Pero aún no se comprendía qué manera transcurre esa señalización”, dijo.

En el trabajo publicado en Molecular Cell, el grupo de Cornell reveló cómo actúan tres de esas enzimas encargadas de proteger el genoma. Son las equivalentes en levaduras a las cinasas humanas ATR, ATM y CHK1.

Si se considera que en una sola célula puede haber simultáneamente más de 20 mil radicales fosfato que se trasladan de un lugar para otro debido a la acción de distintas cinasas, el descubrimiento de la función de cada una de esas enzimas no es precisamente una tarea trivial. Para llevar adelante esta investigación, los científicos se valieron de un espectrómetro de masas, un aparato capaz de medir la masa de moléculas con altísima precisión.

“Extrajimos las proteínas de las células de levadura y las rompimos en varios pedazos. El espectrómetro logra medir la masa de cada uno de esos fragmentos y detectar si hay un grupo fosfato unido a ellos o no. De esta forma es como logramos saber desde dónde y hasta dónde se trasladarán los radicales. La precisión es tan alta que sabemos incluso a qué residuo de aminoácido de la proteína blanco se unió el grupo fosfato”, dijo Smolka.

El mapa de las cinasas

Solamente para la enzima ATR, que concitó la mayor atención de los científicos, se identificaron más de 100 sustratos distintos. A tal fin, los investigadores crearon tres linajes mutantes de levadura: la primera sin el gen de la ATR, la segunda sin el gen de la ATM y la tercera sin el CHK1.

“Mediante el empleo de esta técnica, logramos detectar más de 6 mil eventos de fosforilación. Al comparar a la célula normal con una de las mutantes, conseguíamos observar cuáles de esos eventos desaparecían. Así es como fue posible identificar los sustratos de cada una de las enzimas”, comentó.

Asimismo, se desarrollaron mapas cuantitativos –denominados Qmaps (Cuantitative Mass Spectrometry Analysis of Phospho-substrates)– capaces de mostrar de qué modo, en diferentes condiciones, se modificaba la fosforilación de cada uno de los sustratos.

“Logramos ver si una determinada droga que le provoca un daño al ADN aumenta o disminuye los eventos de fosforilación en cada una de las proteínas blanco, por ejemplo. Es decir, conseguimos descubrir no solamente cuándo y cómo se activa la ATR, sino también en qué nivel están siendo regulados sus distintos sustratos”, dijo Smolka.

Para sorpresa de los científicos, los Qmaps revelaron que la ATR no entra en acción únicamente cuando existe un daño en el genoma. La enzima también actúa preventivamente.

“Se encuentra siempre activada y, en lugar de señalizarles a cuatro o cinco proteínas, tal como era de esperarse, regula centenas de ellas. El proceso es mucho más complejo de lo que preveíamos”, dijo.

De acuerdo con Smolka, ya existen inhibidores de ATR que se están ensayando clínicamente contra el cáncer. Como las células malignas se dividen de forma acelerada y descontrolada, son mucho más dependientes de la acción de la ATR para sobrevivir que las células normales.

“Es como si hubiese varios escapes por toda la ciudad, pero, aún así, la célula del cáncer logra sobrevivir. Los Qmaps pueden ayudar a descubrir en qué situaciones y de qué manera debe inhibirse la actividad de esa cinasa para atacar y acabar con distintos tipos de cáncer, con una interferencia mínima en células normales”, dijo Smolka.

También según el investigador, a esta técnica también pueden emplearla otros grupos de investigación abocados a revelar el papel de las cinasas tanto en el organismo humano como en el de otros animales y plantas.

Estudios ya han mostrado que esas enzimas constituyen importantes blancos para el desarrollo de nuevos medicamentos. Se estima que, de las más de 500 cinasas identificadas en el genoma humano, menos de 100 han sido minuciosamente estudiadas hasta el momento.

“Ahora estamos haciendo experimentos similares a los descritos en la revista con linajes de células humanas. Pretendemos conectar este trabajo que hemos desarrollado acá en Cornell con diversas iniciativas interesantes que están llevándose adelante en São Paulo”, afirmó Smolka.

Puede recabarse más información sobre este estudio en la siguiente página web: http://smolka.wicmb.cornell.edu/. Y puede leerse el artículo intitulado Phosphoproteomics Reveals Distinct Modes of Mec1/ATR Signaling during ADN Replication (doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.molcel.2015.01.043) en: www.cell.com/molecular-cell/abstract/S1097-2765(15)00092-1.