Nuevos avances en la regulación redox del ciclo de la metionina

Nuevos avances en la regulación redox del ciclo de la metionina

Artículo publicado en mayo de 2015

DOI: http://dx.doi.org/10.18567/sebbmdiv_ANC.2015.05.1

María de los Ángeles Pajares Tarancón 

Instituto de Investigaciones Biomédicas "Alberto Sols" (IIBM, CSIC-UAM)
mapajaresemailiib.uam.es

 

 

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Los últimos avances realizados en el ciclo de la metionina han cambiado algunos conceptos clásicos, añadiendo nuevos niveles de complejidad. Quizás los más relevantes sean la identificación de algunas enzimas de la vía en el núcleo celular y las alteraciones patológicas en su distribución subcelular, cuyo papel podría ser clave en el desarrollo de enfermedades.

 

La necesidad de una correcta nutrición para una vida saludable y un envejecimiento activo, resaltada en el programa europeo Horizon 2020, se basa en la incapacidad de los mamíferos para sintetizar componentes esenciales para la célula, entre ellos, la metionina. Este aminoácido es utilizado en la síntesis de proteínas y en el ciclo de la metionina, ruta en la que se produce el principal donante de grupos metilo, la S-adenosilmetionina (SAM)[1]. El número y variedad de patologías en que se han detectado alteraciones en el ciclo de la metionina es cada día mayor, abarcando desde la cirrosis o el fallo hepático agudo [2], hasta el cáncer, el Parkinson, la sordera [3] y enfermedades raras, como la de Wilson [4].
El hígado ha sido la principal diana de estudio, ya que procesa hasta un 50% de la metionina ingerida y presenta los mayores niveles de las enzimas implicadas, algunas específicas de este tejido. Componentes esenciales del ciclo hepático son las metionina adenosiltransferasas (MATs), la S-adenosilhomocisteína hidrolasa, la metionina sintasa, y la betaina homocisteína metiltransferasa (BHMT), a las que hay que unir una gran variedad de metiltransferasas. Esta ruta sintetiza SAM, S-adenosilhomocisteína (SAH), homocisteína y la propia metionina, junto con compuestos metilados (DNA, proteínas, fosfolípidos, neurotransmisores, etc.) y el tetrahidrofolato. En su regulación participan distintos factores, que dan lugar a un alto nivel de complejidad [1, 5]. Entre ellos: la existencia de diversas isoenzimas (MAT I, II y III); la presencia de homo- (MAT I y III, BHMT, etc.) y hetero-oligómeros (MAT II); la regulación por metabolitos de la expresión (metiltioadenosina), actividad y oligomerización de diversas enzimas (SAM, SAH, 5'-metiltetrahidrofolato, glutatión, NADP+); la necesidad de vitaminas como cofactores; y, el control hormonal ejercido fundamentalmente a nivel transcripcional. En este complejo contexto, nuestras contribuciones se han centrado en las enzimas MATs y BHMT, así como en las alteraciones del ciclo en patologías que cursan con estrés redox.
Hace casi 20 años identificamos un puente disulfuro intrasubunidad en MATα1, subunidad catalítica que constituye las isoenzimas MAT I (tetrámero) y MAT III (dímero), y demostramos la posible implicación de tioltransferasas en el control de la actividad y oligomerización de estas isoenzimas por la relación GSH/GSSG. A partir de ahí, nuestro interés en conocer los factores que controlan la oligomerización de las MATs nos llevó al desarrollo de métodos y herramientas que permitiesen este tipo de estudios, y que posteriormente ampliamos a la enzima BHMT. Así obtuvimos algunas de las primeras estructuras cristalinas de MAT I y BHMT, gracias a las cuales se identificaron residuos involucrados en la unión de sustratos y la catálisis, y demostramos que el puente disulfuro de MATα1 es esencial en la estabilización de MAT I y III, bloqueando su interconversión [5, 6]. Estos trabajos también permitieron postular el papel estabilizador de diversos elementos de estructura secundaria en la oligomerización, aspecto que fue estudiado en más detalle con posterioridad mediante análisis de unfolding de diversos mutantes. La gran conservación de secuencia en la familia MAT, junto con los datos estructurales, también nos permitió demostrar su valor como marcador filogenético, lo que derivó en la caracterización y estudios de estabilidad de MATs muy poco conservadas, algunas con posible aplicación biotecnológica. Más recientemente hemos identificado que la unión de NADP+ a la subunidad reguladora MATβ aumenta su afinidad por el dímero de subunidades catalíticas MATα2. Esto hace de MAT II un hetero-trímero regulable por mecanismos redox, que también reducen drásticamente el nivel de expresión de MATβ en un modelo de enfermedad de Wilson [4]. Estos datos modifican la visión clásica de la composición de MAT II, y añaden un nuevo nivel de complejidad a la regulación redox de las MATs.
Otros estudios en modelos animales y celulares han permitido cambiar otros conceptos establecidos en el campo, como son la expresión exclusivamente hepática de MAT1A (gen que codifica MATα1) y BHMT, y la localización citoplásmica de las MATs [5, 7]. Así, nuestras contribuciones han demostrado la expresión de bajos niveles de MAT1A en gran variedad de tejidos y tipos celulares [7], y la de BHMT en cóclea [3]. La localización preferida de MATα1 no es el citoplasma, excepto en hepatocitos, sino el núcleo celular, donde se detecta MAT I activa (Figura). En su distribución subcelular son determinantes dos áreas del C-terminal de MATα1, que se solapan, y que pudieron ser identificadas gracias al diseño de mutantes en base a los datos estructurales disponibles [7]. En modelos de fallo hepático agudo se produce acumulación nuclear de varias enzimas del ciclo, y un aumento de la actividad y cantidad nuclear de MAT I, que se refleja en los niveles de ciertas metilaciones epigenéticas. Este aumento de MATα1 nuclear se previene mediante agentes que mantienen la relación normal de GSH/GSSG. Todo este cúmulo de datos nos llevó a proponer una hipótesis sobre la regulación redox de MATs, a la que ahora habría que añadir el control de su distribución subcelular.

 

Figura. Esquema de la distribución subcelular de MATs en hígado (normal y bajo estrés redox) y otros tejidos. Las flechas indican la cantidad, mayor (gruesas) o menor (finas), y su aumento o reducción.

 

REFERENCIAS

 

1. Pajares, M.A. and G.D. Markham, Methionine adenosyltransferase (s-adenosylmethionine synthetase). Adv Enzymol Relat Areas Mol Biol, 2011. 78: p. 449-521.
2. Delgado, M., et al., Acute liver injury induces nucleocytoplasmic redistribution of hepatic methionine metabolism enzymes. Antioxid Redox Signal, 2014. 20(16): p. 2541-54.
3. Martinez-Vega, R., et al., Folic acid deficiency induces premature hearing loss through mechanisms involving cochlear oxidative stress and impairment of homocysteine metabolism. FASEB J, 2014.
4. Delgado, M., et al., Early effects of copper accumulation on methionine metabolism. Cell Mol Life Sci, 2008. 65(13): p. 2080-90.
5. Pajares, M.A. and D. Perez-Sala, Betaine homocysteine S-methyltransferase: just a regulator of homocysteine metabolism? Cell Mol Life Sci, 2006. 63(23): p. 2792-803.
6. Markham, G.D. and M.A. Pajares, Structure-function relationships in methionine adenosyltransferases. Cell Mol Life Sci, 2009. 66(4): p. 636-48.
7. Reytor, E., et al., Conformational signals in the C-terminal domain of methionine adenosyltransferase I/III determine its nucleocytoplasmic

 

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Entrevista

María de los Ángeles Pajares Tarancón 
Instituto de Investigaciones Biomédicas "Alberto Sols" (IIBM, CSIC-UAM)

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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.- Desde pequeña he sentido inclinación y curiosidad por la Naturaleza, algo en lo que claramente influyeron los paseos por el campo con mi abuelo, y las colecciones de cromos que se hacían en mi infancia. Posteriormente, mi interés en la Química y la Biología se agudizó gracias a los profesores que tuve en el colegio y a la lectura, algo anárquica, de cualquier cosa que caía en mis manos relacionada con la Medicina. En cuanto a los consejos, quizás el único que siempre he seguido es que hay que trabajar para conseguir cualquier cosa, nada llueve del cielo.

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

R.- Estudié C.C. Biológicas en la Universidad Complutense de Madrid, donde en aquella época no existía la especialidad de Bioquímica como tal. Por ello, los estudiantes interesados en esa disciplina escogíamos la rama de Biología Fundamental y, entre las asignaturas optativas, algunas del Departamento de Bioquímica de la Facultad de C.C. Químicas. Fue en clases de una de esas asignaturas donde conocí al Prof. José Mª Mato, quien una vez terminada la carrera me aceptaría en su laboratorio para realizar, en primer lugar la Tesina y después la Tesis Doctoral, gracias a una beca de la Fundación Conchita Rábago. En aquellos años trabajé en la enzima encargada de la síntesis de fosfatidilcolina por la ruta de transmetilación, proteína para la que establecimos los primeros métodos efectivos de purificación, y cuya regulación in vitro por fosforilación estudiamos en detalle. Ya como posdoctoral, y gracias a una beca de la Fundación Juan March, me incorporé al laboratorio del Prof. Robert R. Rando en la Harvard Medical School, donde estudié el centro activo de la rodopsina y su regulación, y colaboré en otros estudios del grupo encaminados a diseccionar los mecanismos de activación de PKC por debromoaplisia toxinas. A mi vuelta, nuevamente en el grupo del Prof. Mato, empecé a trabajar con la metionina adenosiltransferasa y en el ciclo de la metionina. Mi independencia científica se desarrolló paulatinamente dentro de este grupo, debido a mi interés por aspectos más estructurales, que he ido desarrollando y ampliando posteriormente, aplicándolos al estudio de otras proteínas de ésta y otras vías más o menos relacionadas. A ello contribuyeron dos estancias breves, una en la Universidad de Heidelberg y otra en la Universidad de Singapur, que me proporcionaron una cierta formación en el clonaje y la cristalización de proteínas. Ya como Científico Titular, y luego, como Investigador Científico del CSIC he continuado profundizando en los estudios de las relaciones estructura/función de diversas proteínas, y la regulación redox de las mismas en diversos modelos de enfermedad.
En cuanto a si repetiría mi trayectoria profesional, he de decir que no creo que merezca la pena pensar en las decisiones tomadas. Es posible, que en otras circunstancias, en mi caso de salud, mis decisiones profesionales hubieran sido otras, pero como no tendré una segunda oportunidad, lo hecho, hecho está.

P.- ¿Cuáles son desde su punto de vista las características que definen a un buen investigador? ¿Qué consejo daría a los que ahora inician su carrera científica?

R.- En lo que se refiere a las características que definen a un buen investigador, creo que coincidiré con la mayoría de los investigadores que me han precedido en estas entrevistas, diciendo que la curiosidad, la tenacidad y la capacidad de sacrificio. 
En cuanto a los consejos, no soy amante de darlos, porque lo que es o ha sido útil en la carrera y la vida de unos, puede no serlo para otros. Sin embargo, considero crucial la elección de un buen Director de Tesis, algo que no se puede juzgar simplemente desde el listado de publicaciones de ningún investigador que yo conozca.

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.- En la actualidad estamos intentando dilucidar los mecanismos que regulan la localización subcelular de enzimas del ciclo de la metionina, y su papel en el núcleo. Aunque, por ejemplo, la relación entre la producción de S-adenosilmetionina y la eliminación de S-adenosilhomocisteína y las metilaciones epigenéticas es clara, sin embargo su posible papel monomérico en ese compartimiento puede tener otras implicaciones desconocidas hasta el momento. Alteraciones en los niveles de estas enzimas entre el citoplasma y el núcleo, y su control, pueden tener una enorme influencia en la gran variedad de metilaciones que se llevan a cabo en cualquier célula. Además pueden cambiar drásticamente el patrón de sus interacciones proteína-proteína en cada uno de esos compartimientos, aspecto poco estudiado y al que estamos dedicando parte de nuestra atención. Estas alteraciones pueden ser parte de los mecanismos que disparan el desarrollo de enfermedades, y su normalización, por tanto, podría ser una de las formas de conseguir la reversión de muchas de ellas.
La relación entre Metabolismo, Cáncer y Epigenética ha despertado un gran interés en los últimos años. Sin embargo, cada día somos menos los especialistas en algunas de la vía metabólicas implicadas, precisamente por la dificultad del trabajo con estas enzimas. En lo que concierne al ciclo de la metionina, somos muy pocos los grupos cuya actividad se centra en esta ruta, y quizás dos o tres de los principales se encuentren en España.  

P.- ¿Cuál consideraría que ha sido el principal avance científico del siglo XX? ¿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.- A mi juicio, las estructuras del DNA y las primeras proteínas supusieron grandes avances para el conocimiento de componentes esenciales de las células. Sin embargo, y a nivel más práctico, es seguramente el advenimiento de los trasplantes de órganos lo que más me impresionó, posiblemente porque el primer trasplante de corazón se realizó siendo yo una niña.
En cuanto a las sorpresas en mi área de trabajo, tengo que decir que la mayor de ellas quizás haya sido la identificación de enzimas clásicamente hepáticas en órganos periféricos y sus alteraciones en patologías sensoriales.  

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.- En mi opinión la carrera científica en España no está realmente articulada. Me explico, para que la investigación, como cualquier otra actividad productiva, funcione es necesario que la parte productiva (técnicos, estudiantes pre-doctorales y pos-doctorales, titulados superiores contratados o funcionarios, etc.) sea mayor que la administrativa. Eso, aparentemente tan simple, en la actualidad es una utopía. De hecho, la mayoría de los grupos carecen de técnicos de laboratorio, estudiantes pos-doctorales (siendo optimistas, puede que tengan uno), y desde luego de investigadores, que no sean funcionarios de carrera. Además, el número de estudiantes pre-doctorales es cada día menor. El investigador principal se convierte así en el único depositario del conocimiento del grupo, además de encargarse de multitud de tareas más propias de una secretaría, que copan su actividad diaria. Todo esto unido, en mi opinión, sólo consigue bloquear el sistema.
El camino a recorrer pasa por estructurar los distintos eslabones de la cadena, definiendo sus obligaciones y llevando a cabo una evaluación acorde a las mismas. No es de recibo que distintas escalas de científicos sean evaluadas prácticamente por el mismo rasero. Esto sólo conduce a la tendencia a ser "cabeza de ratón, antes que cola de león", porque la capacidad de progresar en el escalafón establecido y parte del sueldo dependen de ello. Si el jefe de grupo ha de ser el Investigador Principal de los proyectos, dirigir las Tesis Doctorales y ser último autor de todos los artículos del grupo, esto lesiona los intereses del resto de los investigadores del equipo, cuyo curriculum carecerá de estos méritos, por los que posteriormente se les evaluará. Tampoco me parece lógico que pocas veces se considere la relación entre el tamaño del grupo, su financiación, su producción y la calidad de la misma a la hora de distribuir recursos. Así, acabamos en círculo vicioso, que resulta aún más acuciante ahora mismo, y que lleva en la expulsión del sistema de financiación no sólo de grupos emergentes con grandes posibilidades, sino de grupos establecidos, que no sólo no pueden progresar, sino que se están destruyendo.  

 

Perfil biográfico

María de los Ángeles Pajares Tarancón
Instituto de Investigaciones Biomédicas "Alberto Sols" (IIBM, CSIC-UAM)
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Mª de los Ángeles Pajares Tarancón es Investigador Científico del CSIC en el Instituto de Investigaciones Biomédicas "Alberto Sols" (IIBM, CSIC-UAM). Se licenció (1982) y doctoró en C.C. Biológicas por la Universidad Complutense de Madrid (1986). Entre 1987 y 1994 fue becaria posdoctoral en la Harvard Medical School (USA), la Fundación Jiménez Díaz y el IIBM. También ha realizado estancias cortas en las universidades de Heidelberg y Singapur. Su trayectoria se ha dirigido al estudio de las relaciones estructura/función de proteínas y sus alteraciones en patologías. Es autora de más de 60 artículos en revistas internacionales y de aproximadamente una veintena de capítulos en libros, ha dirigido aproximadamente una decena de Tesis Doctorales y un número muy superior de otro tipo de trabajos. También ha sido Jefe de los departamentos de Estructura y Función de Proteínas y de Metabolismo y Señalización Celular del IIBM. Es miembro de diversas sociedades científicas, entre las que figuran la ASBMB, la NYAS y la SEBBM, habiendo participado en las comisiones de Admisiones y de Divulgación de esta última.

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