Desarrollan un nuevo método para reubicar proteínas mal plegadas en las células

Las células son lugares altamente regulados que dependen de que cada proteína esté en el lugar correcto. Muchas enfermedades, incluido el cáncer y los trastornos neurodegenerativos, están relacionadas con proteínas mal plegadas. En algunos cánceres, por ejemplo, una proteína que normalmente monitorea la replicación del ADN en el núcleo se aleja del ADN, lo que permite que los cánceres crezcan.

Steven Banick, profesor asistente de química en la Facultad de Humanidades y Ciencias y académico del Instituto Sarafan CEM-H de la Universidad de Stanford, y su laboratorio han desarrollado un nuevo método para forzar a las proteínas mal plegadas a ubicarse en sus hogares adecuados dentro de las células. El enfoque implica recablear la actividad de lanzaderas naturales para ayudar a mover proteínas a diferentes partes de la célula. El equipo ideó una nueva clase de moléculas llamadas «moléculas activadoras de translocación dirigida», o TRAM, que convencen a estos transbordadores naturales para que recojan diversas cargas, como proteínas exportadas desde el núcleo en algunos cánceres, para dar un paseo. Publicado en la naturaleza El 18 de septiembre, esta técnica podría conducir a terapias para corregir la mala localización de proteínas asociada con enfermedades y crear nuevas funciones en las células.

«Estamos tomando las proteínas perdidas y trayendolas de regreso a casa», dijo Banick.

Buques y Pasajeros

Nuestras células contienen muchos compartimentos, como el núcleo, el refugio del ADN o las mitocondrias, donde se produce la energía. Entre todos estos compartimentos se encuentra el citoplasma. Todas las proteínas en muchos lugares de la célula. Son responsables de todo tipo de acciones (construir y descomponer moléculas, contraer músculos, enviar señales), pero para que funcionen correctamente, deben realizar sus acciones en el lugar correcto.

«Las celdas son lugares realmente abarrotados», dijo Banick. «Las proteínas están zumbando entre la multitud pasando a través de todo tipo de otras moléculas como ARN, lípidos y otras proteínas. Por lo tanto, la función de una proteína está limitada por lo que puede hacer y su proximidad a otras moléculas».

A veces, las enfermedades se aprovechan de esta necesidad de proximidad mutando proteínas que pueden proteger a la célula del daño. Este tipo de mutaciones son como poner la dirección incorrecta en el paquete, engañando a las proteínas para que nunca lleguen a ninguna parte de las células sanas.

A veces, este movimiento impide que la proteína funcione por completo. Por ejemplo, las proteínas que actúan sobre el ADN no encuentran ADN en el citoplasma y flotan sin hacer nada. Otras veces, este movimiento hace que la proteína se convierta en un mal actor. En la ELA, por ejemplo, una mutación envía una proteína específica llamada FUS fuera del núcleo hacia el citoplasma, donde se agrega en grupos tóxicos y eventualmente mata la célula.

Banick y su equipo se preguntaron si este desplazamiento intencional de proteínas podría contrarrestarse utilizando otras proteínas como lanzaderas para transportar proteínas pasajeras a su hogar adecuado. Pero estos barcos suelen tener otras tareas, por lo que el equipo debe convencer al barco para que recoja la carga y la transporte a la nueva ubicación.

Para ello, Banick y su equipo desarrollaron un nuevo tipo de molécula de dos cabezas llamada TRAM. Un cabezal está diseñado para fijarse a la embarcación y el otro está diseñado para fijarse a los pasajeros. Si el barco es lo suficientemente fuerte, llevará a los pasajeros al lugar que les corresponde.

a lo largo del viaje

El equipo se centró en dos tipos prometedores de lanzaderas, uno que atrae proteínas hacia el núcleo y otro que exporta proteínas desde el núcleo. Christine Ng, estudiante de posgrado en química y primera autora del artículo, diseñó y construyó el transbordador y los tranvías que unen a los pasajeros. Si los pasajeros del citoplasma terminan en el núcleo, sabrán que su TRAM ha funcionado.

El primer desafío fue inmediato: no existían métodos confiables para medir la cantidad de proteína en un lugar específico de las células individuales. Entonces Ng desarrolló un nuevo método para cuantificar la cantidad y ubicación de proteínas pasajeras dentro de una célula en un momento dado. Química de formación, tuvo que aprender nuevas habilidades en microscopía y análisis computacional para lograrlo.

«La naturaleza es intrínsecamente compleja y está interconectada, por lo que es fundamental contar con enfoques interdisciplinarios», afirmó Ng. «Tomar prestada lógica o herramientas de un campo para resolver un problema en otro conduce a preguntas y descubrimientos muy interesantes sobre el tipo «¿Qué pasaría si?».

A continuación, lo puso a prueba. Sus TRAM movieron con éxito proteínas pasajeras dentro y fuera del núcleo basándose en el transbordador que utilizaron. Estos primeros experimentos ayudaron a crear algunas «reglas» básicas para el diseño, incluida la fuerza que debía tener el transbordador para superar la tendencia del pasajero a tirar en la otra dirección.

El próximo desafío es si pueden diseñar TRAM que puedan convertirse en medicamentos que reviertan el movimiento de las proteínas que causan enfermedades. Primero, crearon TRAM que desplaza a FUS, una proteína que se transporta fuera del núcleo y forma gránulos peligrosos en pacientes con ELA. Después de tratar las células con su TRAM, el equipo vio que FUS era transportado a su hogar natural en el núcleo y los grumos tóxicos disminuían y era menos probable que las células murieran.

Luego centraron su atención en una mutación bien conocida en ratones que los hace más resistentes a la neurodegeneración. Una mutación famosamente estudiada por el difunto Ben Barres y otros hace que el axón de las neuronas se aleje del núcleo.

El equipo se preguntó si podrían construir un TRAM que imite el efecto protector de la mutación, llevando la proteína hasta el final del axón. Su objetivo TRAM movió la proteína hacia el axón, pero hizo que la célula fuera más resistente al estrés que imitaba la degeneración nerviosa.

En todos estos ejemplos, el equipo se enfrentó a un desafío constante: diseñar la cabeza de pasajeros de TRAM era difícil porque los científicos aún no habían identificado todas las posibles moléculas que podrían unirse a sus pasajeros objetivo. Para evitarlo, el equipo utilizó herramientas genéticas para instalar una etiqueta adhesiva en estos pasajeros. Sin embargo, en el futuro esperan poder encontrar fragmentos pegajosos que se encuentran naturalmente en estos viajeros y desarrollar TRAM para convertirlos en nuevos tipos de medicamentos.

Aunque se centraron en dos lanzaderas, el enfoque es general para cualquier otra lanzadera que empuje materiales hacia la superficie celular donde se produce la comunicación con otras células.

Y más allá de devolver las proteínas mutadas a donde pertenecen, el equipo espera que los TRAM puedan usarse para enviar proteínas saludables a partes de la célula que normalmente son inaccesibles, creando nuevas funciones que aún no conocemos.

«Es emocionante porque apenas estamos empezando a aprender las reglas», dijo Banick. «Si cambiamos el equilibrio, si una proteína de repente tiene acceso a nuevas moléculas en una nueva parte de la célula en un nuevo momento, ¿qué hace? ¿Qué funciones podemos desbloquear? ¿Qué nueva biología podemos entender?»