Las proteínas de vida corta controlan la expresión genética en las células para llevar a cabo una serie de tareas vitales, desde ayudar al cerebro a formar conexiones hasta ayudar al cuerpo a desarrollar una defensa inmune. Estas proteínas se producen en el núcleo y se destruyen rápidamente una vez que han hecho su trabajo.
A pesar de su importancia, el proceso por el cual estas proteínas se descomponen y eliminan de las células una vez que ya no son necesarias ha eludido a los científicos durante décadas, hasta ahora.
En una colaboración entre departamentos, investigadores de la Facultad de Medicina de Harvard identificaron una proteína llamada midnolina que desempeña un papel clave en la degradación de muchas proteínas nucleares de vida corta. El estudio muestra que la midnolina lo hace agarrando directamente las proteínas y llevándolas al sistema de eliminación de desechos celulares, llamado proteosoma, donde se destruyen.
“Estas proteínas particulares de vida corta se conocen desde hace más de 40 años, pero nadie había establecido cómo se degradan realmente”, dijo el coautor principal Xin Gu, investigador en neurobiología del HMS.
Debido a que las proteínas descompuestas mediante este proceso modulan genes con funciones importantes relacionadas con el cerebro, el sistema inmunológico y el desarrollo, los científicos eventualmente podrán enfocar el proceso como una forma de controlar los niveles de proteínas para alterar estas funciones y corregir cualquier disfunción.
“El mecanismo que encontramos es muy simple y bastante elegante”, añadió el coautor principal Christopher Nardone, Ph.D. Candidato en genética en HMS. “Es un descubrimiento científico básico, pero tiene muchas implicaciones para el futuro”.
Un misterio molecular
Está bien establecido que las células pueden descomponer las proteínas etiquetándolas con una pequeña molécula llamada ubiquitina. La etiqueta le dice al proteosoma que las proteínas ya no son necesarias y las destruye. Gran parte de la investigación pionera sobre este proceso fue realizada por el fallecido Fred Goldberg en HMS.
Sin embargo, a veces el proteasoma descompone proteínas sin la ayuda de etiquetas de ubiquitina, lo que lleva a los investigadores a sospechar que existía otro mecanismo de degradación de proteínas independiente de la ubiquitina.
“Ha habido evidencia esporádica en la literatura de que de alguna manera el proteasoma puede degradar directamente proteínas no marcadas, pero nadie entendió cómo puede suceder eso”, dijo Nardone.
Un grupo de proteínas que parecían degradarse mediante un mecanismo alternativo son los factores de transcripción inducidos por estímulos: proteínas producidas rápidamente en respuesta a estímulos celulares que viajan al núcleo de una célula para activar genes, después de lo cual se destruyen rápidamente.
“Lo que me llamó la atención al principio es que estas proteínas son extremadamente inestables y tienen una vida media muy corta: una vez que se producen, llevan a cabo su función y luego se degradan rápidamente”, dijo Gu.
Estos factores de transcripción respaldan una variedad de procesos biológicos importantes en el cuerpo, pero incluso después de décadas de investigación, “el mecanismo de su recambio era en gran medida desconocido”, dijo Michael Greenberg, profesor Nathan Marsh Pusey de Neurobiología en el Instituto Blavatnik de HMS y coautor principal del artículo con Stephen Elledge, profesor Gregor Mendel de Genética y Medicina en HMS y Brigham and Women’s Hospital.
De un puñado a cientos
Para investigar este mecanismo, el equipo comenzó con dos factores de transcripción familiares: Fos, estudiado extensamente por el laboratorio de Greenberg por su papel en el aprendizaje y la memoria , y EGR1, que participa en la división y supervivencia celular.
Utilizando sofisticados análisis genéticos y de proteínas desarrollados en el laboratorio de Elledge, los investigadores se centraron en la midnolina como una proteína que ayuda a descomponer ambos factores de transcripción. Los experimentos posteriores revelaron que, además de Fos y EGR1, la midnolina también puede participar en la degradación de cientos de otros factores de transcripción en el núcleo.
Gu y Nardone recuerdan haberse sentido conmocionados y escépticos acerca de sus resultados. Para confirmar sus hallazgos, decidieron que necesitaban descubrir exactamente cómo la midnolina ataca y degrada tantas proteínas diferentes.
“Una vez que identificamos todas estas proteínas, surgieron muchas preguntas desconcertantes sobre cómo funciona realmente el mecanismo de la midnolina”, dijo Nardone.
Con la ayuda de una herramienta de aprendizaje automático llamada AlphaFold que predice las estructuras de las proteínas, además de los resultados de una serie de experimentos de laboratorio, el equipo pudo desarrollar los detalles del mecanismo. Establecieron que la midnolina tiene un “dominio de captura”, una región de la proteína que captura otras proteínas y las introduce directamente en el proteosoma, donde se descomponen. Este dominio Catch está compuesto por dos regiones separadas unidas por aminoácidos (piense en guantes en una cuerda) que capturan una región relativamente no estructurada de una proteína, lo que permite que la midnolina capture muchos tipos diferentes de proteínas.
Es de destacar que las proteínas como Fos son responsables de activar genes que incitan a las neuronas del cerebro a conectarse y reconectarse en respuesta a los estímulos. Otras proteínas como IRF4 activan genes que apoyan el sistema inmunológico al garantizar que las células puedan producir células B y T funcionales.
“El aspecto más interesante de este estudio es que ahora entendemos un nuevo mecanismo general, independiente de la ubiquitinación, que degrada las proteínas”, dijo Elledge.
Un potencial traslacional tentador
A corto plazo, los investigadores quieren profundizar en el mecanismo que descubrieron. Están planeando estudios estructurales para comprender mejor los detalles a pequeña escala de cómo la midnolina captura y degrada las proteínas. También están fabricando ratones que carecen de midnolina para comprender el papel de la proteína en diferentes células y etapas de desarrollo.
Los científicos dicen que su hallazgo tiene un potencial traslacional tentador. Puede ofrecer una vía que los investigadores pueden aprovechar para controlar los niveles de factores de transcripción, modulando así la expresión genética y, a su vez, los procesos asociados en el cuerpo.
“La degradación de las proteínas es un proceso crítico y su desregulación es la base de muchos trastornos y enfermedades”, incluidas ciertas afecciones neurológicas y psiquiátricas, así como algunos cánceres, dijo Greenberg.
Por ejemplo, cuando las células tienen demasiados o muy pocos factores de transcripción como Fos, pueden surgir problemas de aprendizaje y memoria. En el mieloma múltiple, las células cancerosas se vuelven adictas a la proteína inmune IRF4, por lo que su presencia puede alimentar la enfermedad. Los investigadores están especialmente interesados en identificar enfermedades que puedan ser buenas candidatas para el desarrollo de terapias que funcionen a través de la vía midnolina-proteosoma.
“Una de las áreas que estamos explorando activamente es cómo ajustar la especificidad del mecanismo para que pueda degradar específicamente las proteínas de interés”, dijo Gu.
