Artículo publicado en enero de 2012.

DOI: http://dx.doi.org/10.18567/sebbmdiv_RPC.2012.01.2

Mª Dolores Pérez-Sala Gozalo

Centro de Investigaciones Biológicas (CIB), CSIC.

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Las proteínas son las efectoras de muchas funciones celulares. Las modificaciones postraduccionales de las proteínas inducen una gran variedad de cambios estructurales y funcionales y constituyen un mecanismo esencial de regulación de su actividad biológica. El conocimiento de estas modificaciones es clave para comprender la biología celular, el mecanismo de acción de muchos fármacos y para diseñar nuevas estrategias terapéuticas.

 

 

Las proteínas son estructuras formadas por cadenas de aminoácidos, ordenados en una secuencia precisa, que adoptan una conformación tridimensional determinada pero flexible. Las proteínas pueden compararse con dispositivos mecánicos que pueden ejecutar diversas funciones, desde proporcionar a la célula su soporte estructural en el caso de las proteínas del citoesqueleto, a favorecer reacciones químicas en el caso de las enzimas, controlar el tráfico intracelular y el flujo de sustancias entre la célula y el exterior o regular la expresión de los genes. Los genes que integran el genoma humano codifican un amplio número de proteínas diferentes que puede aproximarse a las cien mil. Sin embargo, las proteínas pueden sufrir numerosas modificaciones químicas en su estructura que tienen importantes efectos moduladores y pueden conllevar el "encendido" o "apagado" de su función biológica, alterar su localización celular, su capacidad para interaccionar con otras proteínas o determinar que la proteína debe ser degradada.
Estas modificaciones que ocurren en las proteínas una vez sintetizadas se denominan modificaciones postraduccionales y pueden tener lugar mediante mecanismos enzimáticos o no enzimáticos. La naturaleza de estas modificaciones puede ser muy variada. Las proteínas pueden sufrir oxidaciones, glicosilaciones o unión de azúcares, acetilaciones, roturas de su cadena o proteólisis, unión de moléculas lipídicas, fosforilaciones, unión covalente de otras proteínas pequeñas como la ubiquitina, etc. Si tenemos en cuenta estas transformaciones, la variedad de estructuras y funciones de las proteínas aumenta hasta dar lugar a más de un millón de especies diferentes que pueden desempeñar distintas funciones en las células.
Los procesos fisiopatológicos proporcionan diversos ejemplos de cómo la modificación postraduccional de proteínas puede contribuir a la regulación de las respuestas celulares. Durante los procesos inflamatorios, que en definitiva son respuestas de defensa del organismo ante agresiones, un complicado conjunto de modificaciones contribuye a favorecer la inflamación en los primeros momentos, en los que es necesario responder a un daño tisular o eliminar agentes patógenos. Sin embargo, en fases más avanzadas se producen moléculas que se unen a ciertas proteínas y alteran su función para conseguir que la inflamación se atenúe y, finalmente, se resuelva. En concreto, durante esta fase de resolución se producen determinadas modificaciones no enzimáticas que inactivan factores de transcripción proinflamatorios y al mismo tiempo activan proteínas citoprotectoras (1). El estudio de estas modificaciones de proteínas implicadas en los mecanismos de defensa de la propia célula puede desvelar estrategias que podemos tratar de imitar mediante abordajes farmacológicos para conseguir efectos terapéuticos.
La fosforilación de proteínas mediada por proteína quinasas es una modificación postraduccional con gran importancia reguladora. Es responsable, en muchos casos, de la activación de proteínas "en cascada", lo que conlleva la amplificación de la señal y su transmisión entre compartimentos distantes de la célula. Muchas de los estímulos que modulan el crecimiento o la muerte celular lo hacen a través de la regulación de la fosforilación de proteínas. El conocimiento detallado de algunos de estos mecanismos ha llevado al diseño de compuestos que, como en el caso de diversos inhibidores de proteína quinasas, se emplean para bloquear la proliferación de las células en terapia antitumoral o se encuentran en fase experimental con este fin. Entre las modificaciones lipídicas de proteínas se encuentra la conocida como isoprenilación,
que por lo general facilita la asociación de las proteínas con las membranas celulares y favorece que ejerzan su función en compartimentos celulares específicos (2). Esta localización y compartimentación es importante ya que alteraciones en el proceso normal de isoprenilación de algunas proteínas pueden conducir a graves enfermedades (3).
Por otra parte, se ha desvelado que el mecanismo de acción de algunos fármacos implica la interferencia con algunas modificaciones postraduccionales. Quizá uno de los ejemplos mejor conocidos sea el de las estatinas, que se emplean para reducir los niveles de colesterol, pero que también inhiben la isoprenilación de proteínas, lo cual conlleva efectos beneficiosos sobre la función cardiovascular (4). En otros casos, la modificación de proteínas juega un papel clave en los mecanismos de determinadas reacciones adversas a fármacos. En concreto, ciertos fármacos o los productos de su metabolismo, son especies reactivas capaces de unirse covalentemente a diversas proteínas y alterar su función, produciendo toxicidad celular.
Desde el punto de vista experimental, los avances técnicos en proteómica y espectrometría de masas hacen posible una caracterización cada vez más detallada del complejo panorama de las modificaciones postraduccionales de proteínas y de sus alteraciones en procesos patológicos (5). Por ello, es previsible que en los próximos años se produzcan importantes avances en el conocimiento de estos sofisticados mecanismos mediante los cuales las células controlan el funcionamiento de la maquinaria proteica. Estos avances serán fundamentales para poder diseñar nuevos abordajes terapéuticos que persigan modular las modificaciones postraduccionales y con ello la función de proteínas importantes en los procesos fisiopatológicos.

 

 Figura. Modificación postraduccional y localización intracelular de proteínas. La localización de ciertas proteínas (verde) en la membrana de vesículas intracelulares (teñidas en rojo) depende de sus modificaciones postraduccionales, en este caso isoprenilación. Imagen modificada de (2).

 

REFERENCIAS

1. Díez-Dacal B, Pérez-Sala D. Anti-inflammatory prostanoids: Focus on the interactions between electrophile signalling and resolution of inflammation. The Scientific World Journal, 2010; 10: 655-75.
2. Pérez-Sala D, Boya P, Ramos I, Herrera M, Stamatakis K. The C-terminal sequence of RhoB directs protein degradation through an endo-lysosomal pathway. PLoS ONE, 2009; 4(12): e8117.
3. \tPérez-Sala D. Protein isoprenylation in biology and disease: General overview and perspectives from studies with genetically engineered animals. Front Biosci, 2007; 12: 4456-72.
4. Rikitake Y,Liao JK. Rho GTPases, statins, and nitric oxide. Circ Res, 2005; 97: 1232-5.
5. \tWalther TC,Mann M. Mass spectrometry-based proteomics in cell biology. J Cell Biol, 2010; 190: 491-500.

 

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Antonio Liras

Universidad Complutense de Madrid (UCM)

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El estudio de las características específicas de las células madre y de la eficacia y seguridad de los nuevos medicamentos basados en experimentos realizados en células, tanto embrionarias como adultas, posibilitará varias aplicaciones terapéuticas a través de trasplantes seguros, específicos de tejido, con células madre sin rechazo inmunológico. Será necesario también establecer un marco legislativo y bioético para hacer posible su regulación y control.

 

 

En las últimas décadas, se ha despertado un gran interés por la investigación en el campo de las células madre que, debido a su enorme potencial terapéutico, pueden tener importantes aplicaciones en ingeniería de tejidos, medicina regenerativa, terapia celular y terapia génica.
La terapia celular, según la Administración Federal Americana del Medicamento (FDA), se define como la administración a un paciente de células no germinales (aquellas que forman el crecimiento de tejidos y órganos de un ser vivo, procedentes de células madre originadas durante el desarrollo embrionario) que han sido procesadas, propagadas, expandidas, seleccionadas ex vivo, transfectadas, etc. con el fin de reparar un tejido o de reinstaurar funciones alteradas. Junto con la terapia génica y la medicina regenerativa, estas células constituyen las llamadas Terapias Avanzadas.
Las células madre son capaces de auto-renovarse y generar células maduras con características y funciones específicas mediante diferenciación ante determinados estímulos fisiológicos. En función de su potencialidad y de su origen, se distinguen varios tipos. Totipotenciales, que aparecen en las primeras etapas del desarrollo del embrión y son capaces de diferenciarse a cualquier tipo de tejido u órgano, incluidas estructuras embrionarias como la placenta o el cordón umbilical. Pluripotenciales, o embrionarias, que no pueden formar un organismo completo, pero sí cualquier otro tipo de célula correspondiente a los tres linajes embrionarios (endodermo, ectodermo y mesodermo), así como el germinal y el saco vitelino. Multipotenciales, células adultas capaces de formar un número discreto de tipos celulares. Y, finalmente, unipotenciales, células con capacidad para diferenciarse a un único linaje celular. Entre todas ellas, las células madre adultas gozan de ciertas ventajas frente a las embrionarias respecto a sus aplicaciones clínicas porque su utilización no supone conflictos éticos, ni conlleva problemas de rechazo inmunológico.
Uno de los tipos celulares más utilizados hasta el momento en terapia celular son las células madre mesenquimales, que se pueden aislar a partir de médula ósea, sangre de cordón umbilical, músculo, hueso, cartílago y tejido adiposo. Estas células madre mesenquimales son células pluripotenciales que pueden diferenciarse in vitro en diversos tipos de células, incluyendo osteoblastos (células óseas), condrocitos (células del cartílago) y adipocitos (células grasas). Sus características distintivas en el laboratorio de terapia celular son su capacidad para adherirse al plástico cuando son cultivadas in vitro, la presencia de marcadores de superficie específicos y la ausencia de marcadores de células hematopoyéticas: monocitos, macrófagos o células B.
Otro grupo importante son las células pluripotenciales inducidas (iPSCs), obtenidas a partir de células madre somáticas reprogramadas por la expresión de determinados factores de transcripción. Estas células presentan utilidad para el descubrimiento de nuevas drogas y para el establecimiento de nuevos protocolos de terapia celular.
Hoy en día, en los distintos protocolos de terapia celular, las células madre humanas embrionarias se utilizan en un 13%, las fetales en un 2%, las de cordón umbilical en un 10% y las adultas en un 75%. Estas terapias comprenden, hasta el momento, la enfermedad cardiovascular, la enfermedad isquémica, la diabetes, las enfermedades hematopoyéticas y hepáticas y, más recientemente, la ortopedia.
Para cualquier procedimiento relacionado con la terapia celular se precisa un estricto control de la manipulación y de las instalaciones. Por otra parte, no se debe olvidar que los productos de terapia celular se consideran medicamentos, por lo que se deberá seguir el mismo, o parecido, tipo de regulación en los procedimientos que el que se aplica para este tipo de compuestos (Standard Operating Procedures).
Los Bancos de Células Madre almacenan líneas de células humanas embrionarias y adultas con fines relacionados con la investigación biomédica. Independientemente de su carácter público o privado, estas líneas celulares pueden proceder de sangre de cordón umbilical o de tejido placentario, ricos en células hematopoyéticas, o bien de líneas celulares derivadas de otros tejidos, diferenciadas o no. Sólo por poner un ejemplo, en Estados Unidos el número potencial de pacientes que podrían beneficiarse de la terapia celular, sería de unos 70 millones con enfermedades cardiovasculares; 50 millones con enfermedades autoinmunes; 18 millones de diabéticos; 10 millones con osteoporosis; 10 millones de pacientes con cáncer; 4,5 millones con Enfermedad de Alzheimer; 1 millón con Parkinson; 1,1 millones de quemados y heridos; 0,25 millones con daños medulares, y 0,15 millones con defectos en el nacimiento (http://www.advancedcell.com/act-stem-cell-related-research-pipeline/potential-markets/).
Va a ser, por tanto, necesario un nuevo marco regulador para las Terapias Avanzadas que asegure la accesibilidad de los productos a todos estos pacientes y la asistencia a los gobiernos para su regulación y control. Certeza, realidad y objetividad científica, a la vez que flexibilidad, son las características que definen una regulación eficaz. Desde el punto de vista bioético, estas investigaciones científicas, y su uso, deben también respetar los derechos y la dignidad humanos, de acuerdo con las correspondientes Declaraciones Universales del Genoma y de los Derechos Humanos.

En definitiva, todo parece indicar que, a la vista del trepidante avance que se observa en el desarrollo de estas nuevas metodologías, el uso de células madre en Terapias Avanzadas formará parte del futuro de la Medicina.

 

 Figura. Distinta potencialidad de diferenciación de las células madre según su origen (Modificada de Comisión Europea. Disponible en: http://ec.europa.eu/index_en.htm)

 

REFERENCIAS

1. Fawaz F, Hermiston T, Dinter H: Allogeneic somatic cell therapy: Process development challenges and future opportunities. Curr Opin Mol Ther 2010, 12: 383-5.
2. Hyun I: The bioethics of stem cell research and therapy. J Clin Invest 2010, 120: 71-5.
3. Liras A: Future research and therapeutic applications of human stem cells: general, regulatory, and bioethical aspects. J Transl Med 2010, 8:131.
4. Mizuno H: Adipose-derived stem and stromal cells for cell-based therapy: Current status of preclinical studies and clinical trials. Curr Opin Mol Ther 2010, 12: 442-9.
5. Razvi ES, Oosta GM: Stem Cells for cellular therapy space. Drug Discov Today 2010, 11: 37-40.
6. Wilson A, Butler PE, Seifalian AM:Adipose-derived stem cells for clinical applications: a review.Cell Prolif 2011,44:86-98

 

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