La reprogramación celular

Artículo publicado en junio de 2013.

DOI: http://dx.doi.org/10.18567/sebbmdiv_ANC.2013.06.2 

Manuel Serrano 
Programa de Oncología Molecular, Centro Nacional de Investigaciones Oncológicas (CNIO)
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Se está empezando a entender la plasticidad celular y a manipularla de manera controlada. Este nuevo campo de investigación puede suponer una revolución para la medicina celular regenerativa. Aquí repaso algunos de los temas pendientes, incluida la posible relación entre plasticidad celular y cáncer.

 

Hace tan sólo 6 años, Shinya Yamanaka sorprendió a la comunidad científica al descubrir que era posible convertir cualquier tipo celular diferenciado en células madre embrionarias (Takahashi and Yamanaka, 2006). De un plumazo se eliminaron todas las barreras técnicas y éticas que habían frenado la investigación sobre este tipo de células humanas, y a la vez comenzó un campo de investigación fascinante sobre la plasticidad de las células.
Hoy día es posible convertir células de piel (por ejemplo, fibroblastos de la endodermis que suelen ser las células más usadas por su fácil acceso y cultivo) en tipos celulares tan diversos como neuronas, hepatocitos o cardiomicitos, y esto puede hacerse directamente, sin pasar por el estado de célula madre embrionaria, es lo que se llama "reprogramación directa" (Ladewig et al., 2013). Sin embargo, la "reprogramación embrionaria" original de Yamanaka sigue siendo el método más prometedor para una futura medicina celular regenerativa debido a que las células madre embrionarias se multiplican con enorme rapidez y facilidad y mantienen intactas sus propiedades y su integridad genética, algo que no pasa con los tipos celulares adultos que no crecen con la misma rapidez y que tienen tendencia a acumular alteraciones genéticas.
En las siguientes líneas repaso algunos de los temas pendientes que concentran gran parte de la investigación en el campo de la "reprogramación embrionaria" y que afectan en igual medida a la "reprogramación directa".
Reprogramación química. Una limitación muy importante de la reprogramación celular, tanto la embrionaria como la directa, es el hecho de que requiere introducir genes exógenos en las células parentales. Esto genes son en su mayoría factores de transcripción y muchos de ellos tienen propiedades oncogénicas. Además, estos factores sólo se pueden introducir de manera eficiente y poco inmunogénica usando vectores de tipo retroviral que tienen la propiedad de integrarse al azar en el genoma y esto se sabe que conlleva un riesgo de producir lesiones oncogénicas. Por estos motivos hay un enorme interés en conseguir la reprogramación usando exclusivamente suplementos en los medios de cultivo, tanto péptidos activos como factores de crecimiento o citoquinas, como compuestos químicos que imiten la función de los factores de reprogramación genéticos (Li et al., 2012). Se ha avanzado mucho en esta dirección. Por ejemplo, algunos de los factores originales de Yamanaka se han podido sustituir por compuestos químicos, se han descubierto otros compuestos químicos que potencian la
reprogramación, pero aún no se ha conseguido la "reprogramación embrionaria" completa sin usar factores genéticos.
Reprogramación por pasos. Hasta ahora sólo es posible la "reprogramación embrionaria" cuando se introducen simultáneamente todos los factores genéticos (generalmente cuatro). Sin embargo hay muchas sospechas de que la reprogramación no ocurre en un solo paso (Polo et al., 2012). De hecho, la reprogramación suele implicar un plazo de tiempo extrañamente dilatado, normalmente 2 semanas. Qué pasa durante todo este tiempo es algo que se está empezando a diseccionar pero que todavía es muy oscuro. Uno de los grandes objetivos es conseguir una reprogramación por etapas, con sucesivas paradas en estados intermedios estables, pero esto aún no se ha conseguido. El deconstruir la reprogramación en etapas permitiría analizar separadamente cada etapa y optimizarla.
Reprogramación eficiente. La baja eficiencia del proceso de reprogramación es una dificultad añadida para la caracterización bioquímica del proceso de reprogramación. Las eficiencias más altas de reprogramación conseguidas están en el orden del 10% (es decir, una de cada diez células tratadas alcanzan el estado de célula madre embrionaria, mientras que el resto son procesos abortivos que terminan en apoptosis o senescencia celular). Nosotros hemos contribuido a este problema identificando a los genes supresores de tumores p16Ink4a, p19Arf y p53 como barreras importantes para la reprogramación (Li et al., 2009; Marion et al., 2009). Estos genes se pueden silenciar transitoria y reversiblemente y de este modo conseguir eficiencias del 10% sin por ello perder la funcionalidad posterior de estos genes supresores.
Reprogramación intermedia. Las células madre embrionarias, a pesar de sus ventajas, como crecer rápida y establemente, presentan algunas limitaciones. Una de ellas es la dificultad, todavía no resuelta, de diferenciarlas in vitro de manera controlada y homogénea (es decir, conseguir diferenciaciones de todas las células parentales y únicamente en el tipo celular deseado). Una solución a este problema podría ser el renunciar a la reprogramación embrionaria y conformarse con reprogramaciones parciales o intermedias que hipotéticamente podrían ser ventajosas. Estos estadios intermedios no están bien caracterizados ni son estables, pero sí que hay evidencias experimentales de que una exposición transitoria de las células parentales a los factores de reprogramación las convierte por un tiempo en un estado "plástico" desde el cual es posible dirigir su diferenciación de manera más eficiente (Kurian et al., 2013). Como quizás se pueda intuir por lo anterior, una gran pregunta aún sin resolver es si la reprogramación embrionaria recapitula "marcha atrás" los procesos de diferenciación, o si por el contrario es un camino totalmente independiente que lleva al punto de partida embrionario por un "atajo".
Reprogramación y cáncer. Finalmente, aún hay muchas preguntas pendientes sobre qué papel juega la reprogramación celular en el cáncer (Suva et al., 2013). Hay dos visiones no necesariamente en conflicto sobre este punto. Según una de ellas, el cáncer implica un proceso aberrante e incompleto de reprogramación (reprogramación oncogénica). Según otra visión, inducir la reprogramación en células cancerosas puede permitir a la célula tumoral reconducirse por un proceso de diferenciación que cancelaría el fenotipo tumorigénico (reprogramación anti-oncogénica). Todavía se sabe demasiado poco como para aventurar si alguna de estas posibilidades será relevante.

 

 

figura Manuel Serrano

 Figura. La imagen corresponde a una colonia de células embrionarias obtenidas por reprogramación de células de la piel. Las células fueron teñidas con varios compuestos fluorescentes. El núcleo de las células (DNA, azul), los niveles de la proteína de pluripotencia OCT4 (verde, homogéneos en todas las células), y los niveles de la proteína de pluripotencia NANOG (rojo, heterogéneos). La heterogeneidad de NANOG refleja estados transitorios de la células madre: altos niveles de NANOG favorecen la autorrenovación; bajos niveles de NANOG favorecen la diferenciación. La imagen de la derecha muestra la mezcla (merge) de las tres imágenes precedentes. El experimento fue realizado por Lucía Morgado-Palacín (CNIO).

 

 

 

 

 

REFERENCIAS

 

1. Kurian, L., Sancho-Martinez, I., Nivet, E., Aguirre, A., Moon, K., Pendaries, C., Volle-Challier, C., Bono, F., Herbert, J.M., Pulecio, J., et al. (2013). Conversion of human fibroblasts to angioblast-like progenitor cells. Nat Methods 10, 77-83.
2. Ladewig, J., Koch, P., and Brustle, O. (2013). Leveling Waddington: the emergence of direct programming and the loss of cell fate hierarchies. Nat Rev Mol Cell Biol 14, 225-236.
3. Li, H., Collado, M., Villasante, A., Strati, K., Ortega, S., Canamero, M., Blasco, M.A., and Serrano, M. (2009). The Ink4/Arf locus is a barrier for iPS cell reprogramming. Nature 460, 1136-1139.
4. Li, W., Jiang, K., and Ding, S. (2012). Concise review: A chemical approach to control cell fate and function. Stem Cells 30, 61-68.
5. Marion, R.M., Strati, K., Li, H., Murga, M., Blanco, R., Ortega, S., Fernandez-Capetillo, O., Serrano, M., and Blasco, M.A. (2009). A p53-mediated DNA damage response limits reprogramming to ensure iPS cell genomic integrity. Nature 460, 1149-1153.
6. Polo, J.M., Anderssen, E., Walsh, R.M., Schwarz, B.A., Nefzger, C.M., Lim, S.M., Borkent, M., Apostolou, E., Alaei, S., Cloutier, J., et al. (2012). A molecular roadmap of reprogramming somatic cells into iPS cells. Cell 151, 1617-1632.
7. Suva, M.L., Riggi, N., and Bernstein, B.E. (2013). Epigenetic reprogramming in cancer. Science 339, 1567-1570.
8. Takahashi, K., and Yamanaka, S. (2006). Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors. Cell 126, 663-676.

 

 

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Entrevista

Manuel Serrano
Programa de Oncología Molecular, Centro Nacional de Investigaciones Oncológicas (CNIO) 
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P.- ¿Cuándo surgió su vocación científica? ¿Le influyó alguien de forma especial? ¿Recibió de joven algún consejo al cual siga siendo fiel?

R.- Me interesé en general por la ciencia estudiando el bachillerato. Me sentí atraído, y sigo estándolo, por el hecho de que había muchos fenómenos naturales que se podían explicar, y que ese conocimiento se podía usar para hacer inventos, máquinas, avances, etc. Y quizás lo más interesante de todo: que quedaban muchas cosas aún por explicar.
El inclinarme por la biología fue en gran parte debido a un profesor del bachillerato con quien todavía mantengo contacto. Sus explicaciones de cómo funcionaba la célula, el ADN, y las enzimas, me dejó irreversiblemente fascinado.
He aprendido de mis mentores en las distintas etapas de mi carrera y sigo aprendiendo de mis colegas. Más que consejos sintetizados en una frase, aprendo de su ejemplo, de cómo se comportan y cómo toman decisiones.

P.- ¿Podría resumirnos brevemente su trayectoria profesional? ¿La repetiría en su totalidad?

R.- Hice la tesis doctoral en el laboratorio de Margarita Salas, bajo la dirección de José Miguel Hermoso, en el Centro de Biología Molecular "Severo Ochoa" (Madrid). Después me fui a hacer un posdoctoral que duró algo más de 4 años en el laboratorio de David Beach, en Cold Spring Harbor Laboratory (Nueva York, USA). Obtuve después una plaza de investigador del CSIC y me incorporé al Departamento que dirigía y sigue dirigiendo Carlos Martínez en el Centro Nacional de Biotecnología (Madrid). Allí trabajé 7 años que fueron muy productivos. En el 2003, me incorporé al CNIO, entonces dirigido por Mariano Barbacid. Este cambio supuso la posibilidad de dar un paso más en ambición, tamaño del grupo, y recursos, que se ha traducido en un aumento importante en la productividad y en el impacto de nuestra investigación. 

 

P.- ¿Cuáles son desde su punto de vista las características que definen a un buen investigador?

R.- En general veo cuatro características que, en mi opinión, valen tanto para los más jóvenes como para los menos jóvenes:
Concentración: todos los buenos investigadores que conozco y admiro están muy enfocados en el trabajo diario del laboratorio. Me parece esencial una presencia constante y un trabajo constante de supervisión. Hay que aprender a decir que no a muchas cosas que nos distraen (cargos administrativos, viajes no esenciales, compromisos que aportan poco, etc).
Ambición: los investigadores que admiro son muy ambiciosos, quieren descubrir lo que consideran más importante del momento y tener un gran impacto. Luego la realidad es menos espectacular, pero si de entrada uno se concentra en objetivos poco ambiciosos, está abocado a tener logros poco ambiciosos.
Colaboración: todos los investigadores que intento imitar son extremadamente abiertos con su trabajo. En mi experiencia los beneficios de colaborar, ser generoso en compartir reactivos y ser abierto ofreciendo información exceden en mucho los posibles riesgos de que alguien haga "juego sucio".
Liderazgo: es muy importante saber liderar el propio grupo de investigación. Esto es quizás lo más difícil y es un equilibrio de muchas facetas a veces contrapuestas: un buen ambiente de equipo, proyectos bien delimitados y que permitan a cada miembro del laboratorio identificarse con su proyecto, profesionalidad, ambición, inspiración. Para mí, la mayor satisfacción es sorprender a los que trabajan conmigo discutiendo de ciencia, criticando un paper, comentando un seminario, o dándose consejos.

 

P.- ¿Podría describirnos brevemente en qué consiste su línea de investigación actual y cuál es su trascendencia? ¿Cómo ve el futuro de este área científica?

R.- Nuestro tema general son los genes supresores de tumores. Estos genes son conocidos por protegernos del cáncer, pero una tendencia de los últimos años ha sido el descubrir que estos genes hacen muchas otras cosas beneficiosas. La corriente actual es pensar que genes muy importantes para el cáncer como p53 o p16 tienen como función última el asegurar la homeostasis celular, y cualquier alteración que ponga esto en peligro los activa y produce la "auto-eliminación" celular (por apoptosis o por senescencia). De este modo, los genes supresores nos protegen de múltiples enfermedades y no sólo del cáncer.
Creo que hay una tendencia global hacia la fisiología. El conocimiento molecular o celular de los procesos biológicos no captura las sutilezas y las complicaciones de la fisiología, entendida como la intercomunicación entre tipos celulares y entre órganos. Este nivel de comprensión es esencial pues las patologías ocurren en un contexto fisiológico y multi-orgánico. Las investigaciones sobre el cáncer frecuentemente conectan ahora con el metabolismo, con la regeneración de tejidos, con el control por el sistema nervioso, con el componente inflamatorio, etc, etc ... Todas estas facetas son importantes. 

 

P.- ¿Cuál es el avance científico que más le ha impresionado? ¿Cuál ha sido su mayor sorpresa en el área de investigación en que trabaja?

R.- Dos sorpresas de distinta índole, una derivada de la ciencia de grandes dimensiones (los grandes consorcios internacionales que generan una ingente cantidad de datos quizás con poca creatividad pero con gran potencial informativo) y otra derivada de la ciencia del laboratorio pequeño (con el potencial de ser mucho más creativos):
La secuenciación de los genomas del cáncer está abriendo el campo de la oncología de una manera espectacular. Durante muchos años hemos tenido una visión que ahora parece muy estrecha y simplista: considerar que los oncogenes son siempre proteínas que señalizan proliferación celular, y que los supresores de tumores reaccionan al daño y bloquean la proliferación celular. Esta visión tan corta sólo reflejaba la poca información de la que disponíamos. Gracias a la secuenciación de los genomas del cáncer hoy día sabemos que tan importante como las quinasas que inducen la proliferación celular son las enzimas del metabolismo, la epigenética, los complejos de splicing, los RNAs no codificantes, la traducción de proteínas, el transporte intracelular, etc... etc ... etc ...
El otro gran descubrimiento para mí ha sido la reprogramación celular de Yamanaka que ha abierto un campo fascinante de investigación mucho más general: la plasticidad celular. Cuando los científicos sepan dominar y controlar la plasticidad celular habrá una verdadera revolución médica. 

 

P.- ¿Cuál es su opinión sobre cómo está articulada la carrera científica en España? ¿Qué camino queda por recorrer en Ciencia e Innovación en nuestro país?

R.- Esto es muy complicado. La ciencia surge de una cultura y la cultura científica de España es todavía incipiente y está poco extendida. Se ha avanzado enormemente pero aún queda mucho por hacer. Tenemos que demostrar que la ciencia española genera riqueza, creo que esa es la gran asignatura pendiente para que los políticos y los empresarios se tomen la ciencia en serio.
En cuanto a la carrera científica, necesita financiación estable y más apoyo a los jóvenes científicos.

Perfil biográfico

Manuel Serrano
Programa de Oncología Molecular, Centro Nacional de Investigaciones Oncológicas (CNIO)  
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Manuel Serrano se doctoró en la Universidad Autónoma de Madrid (1991). Entre 1992-1996 trabajó en el Cold Spring Harbor Laboratory (Nueva York, USA), donde caracterizó el gen p16. Volvió a España en 1997 para dirigir un grupo de investigación en el Centro Nacional de Biotecnología, y a partir de 2003 en el Centro Nacional de Investigaciones Oncológicas (CNIO), donde actualmente es Director del Programa de Oncología Molecular. Es reconocido internacionalmente como uno de los líderes en el campo de la supresión tumoral. Su grupo fue pionero en la generación de ratones modificados genéticamente para que sean resistentes al cáncer, y también en la conexión entre los genes protectores del cáncer y la protección contra el envejecimiento. Más recientemente, su laboratorio ha hecho importantes descubrimientos sobre el papel que tienen los genes protectores del cáncer en la reprogramación celular. Sus trabajos han acumulado 17.000 citaciones, incluidas 22 publicaciones en las revistas Nature, Science y Cell.

 

 

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