Atribuyen la pérdida de las neuronas motoras en pacientes de Esclerosis Lateral Amiotrófica (ELA) a un nuevo mecanismo que bloquea cualquier reacción celular que use ácidos nucleicos (ADN o ARN).
En las neuronas motoras de los afectados por ELA fallan muchos procesos celulares asociados a los ácidos nucleicos; el mecanismo descubierto por el grupo del CNIO da finalmente una explicación a estos problemas tan generalizados que llevaban años reportándose
“Estamos ilusionados, ya que la clave para curar cualquier enfermedad es primero entender lo que no está funcionando”, dice el autor principal, Óscar Fernández-Capetillo. “Solo entendiendo las causas de un problema puedes empezar a pensar en un solucionarlo de manera razonada”
El trabajo se publica esta semana en ‘The EMBO Journal’, con las investigadoras del CNIO Vanesa Lafarga y Oleksandra Sirozh como primeras firmantes
En la Esclerosis Lateral Amiotrófica (ELA), la muerte progresiva de las neuronas responsables del movimiento conduce a la parálisis de músculos en las extremidades y con el tiempo de todo el cuerpo, lo que llega a impedir la respiración. Hoy en día la ELA no tiene tratamiento, y su causa se desconoce.
Se sabe sin embargo que en el 10% de los afectados hay un importante componente genético, que hace que la enfermedad aparezca en varios miembros de una familia. En casi la mitad de estos casos de ELA familiar el origen está en un gen llamado C9ORF72. Pero ¿por qué las mutaciones en este gen matan a las neuronas motoras?
La respuesta puede haberla hallado el Grupo de Inestabilidad Genómica liderado por Óscar Fernández-Capetillo en el Centro Nacional de Investigaciones Oncológicas (CNIO), al descubrir un mecanismo que explica la toxicidad derivada de mutaciones en C9ORF72. El nuevo mecanismo relaciona estas mutaciones con un problema general que bloquea todos los ácidos nucleicos, el ADN y el ARN, e impide así multitud de procesos fundamentales en el funcionamiento de las células.
El trabajo se publica esta semana en The EMBO Journal, con las investigadoras del CNIO Vanesa Lafarga y Oleksandra Sirozh como primeras firmantes.
Por qué mueren las neuronas de pacientes de ELA
Los investigadores de ELA ya habían observado que, en efecto, en las neuronas de los afectados fallan muchos procesos celulares básicos que utilizan ácidos nucleicos; ahora el grupo del CNIO provee un modelo que los conecta a todos y explica así estos problemas tan generalizados.
“Creo que tenemos un modelo bastante satisfactorio que nos ayuda a entender que está pasando en las neuronas motoras de los pacientes de ELA, qué las está matando”, dice Fernández-Capetillo. “Estamos ilusionados, ya que la clave para curar cualquier enfermedad es entender primero lo que no está funcionando. Solo así puedes empezar a buscar un tratamiento”.
Aunque el nuevo mecanismo tóxico identificado está asociado a mutaciones en un gen concreto, el C9ORF72, el grupo del CNIO cree probable que otras mutaciones relacionadas con ELA estén actuando de manera similar, es decir, bloqueando el ADN y ARN de las neuronas motoras.
Demasiada arginina
Las mutaciones en el gen C9ORF72 son tóxicas -desvelan los investigadores del CNIO- porque inducen a la célula a producir unas pequeñas proteínas o péptidos muy ricas en arginina, un aminoácido que por su carga positiva y naturaleza química se une con mucha avidez a los ácidos nucleicos, el ADN o el ARN.
Los estudios del CNIO indican que, al pegarse a los ácidos nucleicos con tanta afinidad, estas proteínas ricas en argininas desplazan de manera generalizada a todas las proteínas celulares que normalmente interaccionan con el ADN y el ARN, impidiendo así cualquier reacción celular que use ADN o ARN. Y así, con sus ácidos nucleicos de facto bloqueados, la célula muere.
El ADN contiene las instrucciones para que la célula fabrique las proteínas que necesita para funcionar correctamente. Centenares de proteínas necesitan anclarse al ADN y al ARN para leer sus instrucciones y poder finalmente fabricar nuevos componentes para la célula. Pero “la presencia de péptidos ricos en arginina obstaculiza cualquier reacción en la que están implicados los ácidos nucleicos”, añaden los autores del nuevo trabajo.
En palabras de Fernández-Capetillo: “Lo que hemos visto es que los péptidos con arginina son como una especie de alquitrán que se adhiere a los ácidos nucleicos decorándolos, y al hacerlo desplazan a las proteínas que normalmente están unidas a ellos, de manera que no funciona nada tenga que ver con DNA o con RNA”.
Momento Eureka
“En todas estas décadas de investigación en ELA, los investigadores en neurociencia han ido publicando toda clase de problemas en las reacciones que utilizan ácidos nucleicos: traducción, replicación… ¡Nada funciona! Creemos que nuestro modelo da una respuesta simple a todo eso”, prosigue Fernández-Capetillo.
Fernández-Capetillo investiga habitualmente en cáncer, pero se esfuerza por “tener los ojos abiertos” a cualquier problema al que puedan aplicarse sus conocimientos. En 2014 empezó a trabajar en ELA convencido de que una técnica que recientemente habían implementado en su grupo podría ayudar a comprender la toxicidad de las mutaciones en el gen C9ORF72. Y fue “un flechazo”, una idea surgida tras un café en el CNIO con el Nobel Jack Szostak, lo que le puso en la pista de la arginina.
“Szostak investiga la química del origen de la vida, y me contó que para frenar las reacciones con ácidos nucleicos en sus experimentos usaban precisamente péptidos sintéticos con muchas argininas, por su gran afinidad por ellos”, cuenta Fernández-Capetillo. “Entonces pensé, ¿y si es esto lo que está pasando? ¿Y si las proteínas ricas en arginina de los pacientes de ELA están bloqueando de manera general el ADN y el ARN?”.
La proteína que compacta el núcleo de los espermatozoides hace lo mismo
Esa hipótesis inicial se vio refrendada cuando el grupo decidió explorar si estos problemas se observaban también cuando la célula expresase alguna proteína normal que tuviese muchas argininas. Hay una proteína así, pero se expresa únicamente y de manera transitoria durante la generación de espermatozoides: la protamina.
En consonancia con el modelo que ahora se publica en The EMBO Journal, la función biológica de la protamina es la de desplazar a las histonas del ADN, las proteínas que normalmente ayudan a la compactación del ADN. “Gracias a intercambiar histonas por protamina, que es más pequeña, el ADN de los espermatozoides puede compactarse más”, explica Fernández-Capetillo.
Sin embargo, la protamina es tóxica para cualquier célula que no sea un espermatozoide. “Pensamos que lo que pasa en los pacientes de ELA es equivalente a lo que les pasaría si, accidentalmente, sus neuronas motoras comenzasen a producir protamina”.
En efecto, en el trabajo en The EMBO Journal demuestran que los efectos celulares de la protamina son idénticos a los de los péptidos ricos en arginina encontrados en los pacientes de ELA.
Cómo combatir la toxicidad
Una vez comprendido por qué son tóxicos los péptidos ricos en arginina, el paso siguiente es buscar cómo combatirla. Y la investigación en esa línea ya ha comenzado en el grupo. Al igual que el trabajo para crear modelos animales en los que se reproduzca el problema -producción de los péptidos tóxicos-, para disponer de una plataforma dónde testar potenciales terapias.
Aprender a aliviar la toxicidad de estos péptidos puede ser útil también para abordar los casos de ELA no asociados a C9ORF72, es decir, la enfermedad en su conjunto. Los autores del trabajo creen que el mecanismo generalizado de bloqueo de los ácidos nucleicos es, probablemente, lo que sucede en la ELA, en general.
Como explica Vanesa Lafarga, “la gran mayoría de las mutaciones halladas en pacientes de ELA son en proteínas que se unen a ARN, y generalmente lo que hacen estas mutaciones es impedir la unión de estas proteínas al ARN. Además, las células de estos pacientes también tienen problemas muy generales con sus ácidos nucleicos. Por eso creemos que, aunque las mutaciones en C9ORF72 afectan a solo una parte de los pacientes de ELA, el mecanismo subyacente a la toxicidad de las neuronas puede que no sea muy diferente, en lo fundamental, a lo que pasa en el resto de los casos de esta enfermedad. En tratar de demostrar si esto es así es algo en lo que estamos trabajando ahora”.
Este trabajo ha sido financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación, el Instituto de Salud Carlos III, la Fundación Botín, Banco Santander a través de Santander Universidades, el Consejo Europeo de Investigación y Deutsche Forschungsgemeinschaft.
Artículo de referencia
Widespread displacement of DNA- and RNA-binding factors underlies toxicity of arginine-rich cell-penetrating peptides. V. Lafarga et al (The EMBO Journal, 2021). DOI: 10.15252/embj.2019103311