1 Desvelada una nueva jerarquía en las proteínas del ciclo celular: Nature

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Desvelada una nueva jerarquía en las proteínas del ciclo celular:
Investigadores del CNIO publican en Nature un estudio realizado con cepas
de ratones modificados genéticamente que arroja nueva luz sobre la
función de las proteínas Cdk en la proliferación de las células de mamíferos
Madrid, 16 de agosto de 2007.- La revista Nature publica hoy un artículo con los
resultados de un trabajo desarrollado en el laboratorio del Dr. Mariano Barbacid, Jefe
del Grupo de Oncología Experimental del Centro Nacional de Investigaciones
Oncológicas (CNIO), en el que demuestran que la proteína quinasa dependiente de
ciclina conocida como Cdk1 es suficiente para ejecutar y culminar todas las etapas del
ciclo celular en los organismos superiores.
Antecedentes básicos
La división celular, proceso mediante el cual se generan dos hijas idénticas a partir de
una célula madre, es el proceso más básico en biología. Sin la división celular, los seres
vivos no crecerían y quedarían como zigotos, embriones de una sola célula. La
diversidad de organismos que pueblan nuestro planeta y la de los tipos de células que
los componen es grande. Aun así, el proceso básico de la división celular se ha
mantenido más o menos constante a lo largo de millones de años de evolución.
En todos los organismos eucariotas, el ciclo celular está dirigido por unas proteínas
quinasas heterodiméricas, es decir compuestas de dos subunidades, denominadas Cdk
(del inglés Cyclin dependent kinase) y ciclina (Cyclin en inglés). Las subunidades Cdk
poseen el centro catalítico pero no son funcionales a no ser que estén unidas a la
subunidad activadora, la ciclina. Mientras que las Cdk suelen estar presentes a lo largo
de todo el ciclo celular, las ciclinas (de ahí su nombre) solo se sintetizan en
determinadas fases de cada ciclo o división celular. El descubrimiento de estos
procesos básicos de la división celular motivó la concesión en 2001 del Premio Nóbel
de Medicina y Fisiología a Paul Nurse, Tim Hunt y Lee Hartwell.
El ciclo celular básico parece haberse mantenido constante durante la evolución de los
eucariontes, desde los organismos unicelulares como las levaduras, hasta los seres
humanos. Esencialmente, cuando una célula recibe la señal de dividirse, abandona su
estadío en reposo, conocido como fase G0, y entra en la denominada fase G1 del ciclo
celular. En esta fase la célula se prepara para duplicar su genoma, producir una copia y
solo una copia de su ADN, idéntica a la ya existente. El proceso de generación de esta
copia se denomina fase S. Una vez copiado el genoma, la célula entra en la fase G2 o
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fase de preparación para la mitosis. La fase de mitosis, también conocida como fase M,
es uno de los procesos más espectaculares en biología, por la complejidad y rapidez de
los eventos que en ella tienen lugar. Durante la mitosis, etapa normalmente de unos
minutos de duración, las moléculas de ADN (la original y la copia) se condensan en
cromosomas, los cuales forman parejas idénticas, y se alinean en el centro de la célula
de forma que cada uno de ellos vaya a las células hijas con objeto de producir dos
células idénticas a la original. Una vez alineadas las parejas de cromosomas en el centro
de la célula, cada uno se separa en dirección opuesta a través de los microtúbulos que
forman el llamado huso mitótico, dando lugar a los dos núcleos de las células hijas.
Cuando el material genético duplicado se ha separado, se sintetiza entonces la pared
celular que sirve de división definitiva para las dos células hijas recién formadas.
La tradición
La principal diferencia en el proceso de división celular entre los organismos
unicelulares y los pluricelulares se atribuía a la participación de las Cdk. En los
organismos unicelulares se ha demostrado que una sola Cdk (conocida como Cdc2,
Cdc28 o Cdk1) controla todo el proceso, y que ésta es capaz de asociarse
secuencialmente con las distintas ciclinas a lo largo de las cuatro fases del ciclo celular.
Por el contrario, los organismos pluricelulares, como los mamíferos, disponen de
múltiples Cdks. Se ha interpretado esta proliferación de Cdk como una necesidad de
los organismos pluricelulares de disponer de Cdk especificas para cada una de las fases
de su ciclo celular. Así, hoy en día está generalmente aceptado que las células de los
mamíferos, ya sean ratones o seres humanos, utilizan hasta cinco Cdks diferentes para
completar su ciclo celular, a diferencia de los organismos unicelulares, que como ya se
ha mencionado, solo necesitan una. Estas Cdks son por "orden de intervención" en el
ciclo, Cdk4, Cdk6, Cdk3, Cdk2 y Cdk1. Cdk4 y Cdk6, que interaccionan con una
familia especifica de ciclinas denominadas ciclinas D, serían esenciales para la fase
preparatoria de entrada en el ciclo celular o fase G1. La fase S estaría dirigida por
Cdk2, que primero se uniría a las ciclinas E, durante el inicio de la fase S, y luego con
las ciclinas A, durante la fase principal de la replicación del ADN. Concluida la fase S,
las ciclinas A se unirían a la Cdk1 durante la fase G2 y finalmente, el complejo formado
por Cdk1 y las ciclinas B sería el responsable de conducir a la célula a través de la
mitosis. La Cdk3 ha sido muy poco estudiada ya que los ratones de laboratorio
carecen de Cdk3 funcional y solo ha sido estudiada en células humanas in vitro,
proponiéndosele un papel similar a Cdk2.
El punto decisivo
La teoría anterior, generalmente aceptada hasta en los libros de texto, comenzó a
cuestionarse hace ahora exactamente cuatro años cuando el Grupo de Oncología
Experimental del CNIO, dirigido por el Dr. Mariano Barbacid, publicó en la revista
Nature Genetics que la quinasa Cdk2, anteriormente postulada como esencial para la
replicación del genoma durante la fase S, no era necesaria, y que los ratones sin este
enzima eran totalmente normales. El laboratorio del Dr. Philipp Kaldis, en el National
Cancer Institute (Frederick, EE.UU.), publicó estudios similares en la revista Current
Biology. Al trabajo del grupo del Dr. Barbacid le siguió otro trabajo de investigación,
también generado por el mismo laboratorio, que apareció en la revista Cell y en el que
demostraron que las quinasas Cdk4 y Cdk6 no eran necesarias para la fase G1 del ciclo
celular (ni tampoco para ninguna otra de las fases del ciclo celular). Por el contrario,
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Cdk4 y Cdk6 sí se necesitaban para la división de un tipo especial células, las células
hematopoyéticas, o células de la sangre, pero no para ningún otro tipo celular.
Ya en mayo del año en curso, el Grupo de Oncología Experimental publicó en la
revista de nueva aparición Mol. Oncology también la generación de ratones carentes de
Cdk4 y de Cdk2, las dos quinasas que hasta entonces se creía eran las responsables
principales de todas las fases del ciclo celular (excepto la de mitosis) en la mayor parte
de las células. Para sorpresa de muchos, estos ratones son capaces de completar el
desarrollo embrionario y llegan a nacer. De nuevo, estos ratones manifestaban
problemas específicos en ciertos tipos celulares, concretamente en cardiomiocitos
(células musculares del corazón), pero no en el proceso básico del ciclo celular. En
este trabajo de los investigadores del CNIO, también se demostró que la eliminación
de ambas quinasas en el hígado de animales adultos, mediante un sofisticado proceso
de recombinación genética, no tenía consecuencia alguna y los hepatocitos (células del
hígado) carentes de estas dos quinasas, Cdk4 y Cdk2, se regeneraban exactamente
igual que los hepatocitos normales. Estos resultados apuntaban, de nuevo, a la
participación de las Cdk en los procesos de proliferación celular en células
especializadas pero no en el proceso básico del ciclo celular. Estos resultados difieren
con los publicados por el grupo del Dr. P. Kaldis en la revista Developmental Cell.
Ratones similares generados en el laboratorio anterior no se desarrollaron a término y
sus células no proliferaron en cultivos in vitro. Quedan por elucidar las razones de este
fenotipo tan severo.
Esta hipótesis ha sido duramente contestada por un sector muy importante de
especialistas del ciclo celular, que se resistían a cambiar el concepto básico del papel de
las Cdk en el ciclo celular de los organismos pluricelulares. Estos investigadores
proponían que la Cdk restante, es decir Cdk2 en el caso de los ratones sin Cdk4 ni
Cdk6, Cdk4 en el caso de los ratones sin Cdk6 y Cdk2 (que por cierto son también
normales) y Cdk6 en el caso de los ratones sin Cdk4 ni Cdk2, ejecutaría las funciones
(es decir "compensaría") de las Cdks ausentes, dejando siempre a Cdk1 una función
especializada en mitosis.
El trabajo del Grupo de Oncología Experimental que publica hoy la revista Nature
demuestra que los ratones sin ninguna de las tres Cdks presumiblemente necesarias
para las fases G1, S y G2, es decir Cdk4, Cdk6, y Cdk2, (recordemos que Cdk3 está
mutada en los ratones de laboratorio) son capaces de completar el ciclo celular. Es
más, los embriones que solo cuentan con la presencia de Cdk1 son capaces de
desarrollarse y completar su organogénesis. Es decir, aquellos ratones que, al igual que
las levaduras, solo disponen de Cdk1 son no solo capaces de completar la parte del
desarrollo embrionario en la que existe la máxima actividad de división celular (se
producen unos 20 millones de células en dos semanas), sino que además producen
todos los tipos celulares, tejidos y órganos que ha de tener el organismo adulto. Como
era de esperar, estos animales con solo Cdk1 no completan el desarrollo embrionario
ya que no producen células de la sangre por carecer de Cdk4 y Cdk6.
El trabajo que el Dr. David Santamaría y demás colaboradores del Programa de
Oncología Molecular del CNIO publica hoy Nature va mas allá y demuestra que Cdk1,
al igual que sucede en las levaduras y otros organismos unicelulares, es esencial para la
división celular. En colaboración con investigadores del Reino Unido los investigadores
del CNIO han generado unos ratones sin Cdk1 gracias a los cuales han podido
determinar que sin este enzima los embriones no pueden desarrollarse ni siquiera
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hasta el estadío de mórula (embriones de 16-64 células), lo que sugiere que Cdk1
puede ser esencial incluso para la primera división del embrión.
En conclusión, el trabajo reseñado, así como los trabajos anteriores del Grupo de
Oncología Experimental también comentados, demuestra que las células de mamífero
no son mecanísticamente distintas a las de los organismos unicelulares y que una sola
Cdk, Cdk1, es capaz de asociarse a todas las ciclinas y completar el ciclo celular.
Además, la investigación de los científicos del CNIO demuestra que la función esencial
de Cdk1 para el ciclo celular va más allá de su papel en mitosis, tal y como ocurre en
los organismos unicelulares.
Finalmente, y como corolario de estos estudios, parece cada vez más evidente que la
generación de múltiples Cdk en organismos superiores, como somos los mamíferos, se
debe a una necesidad de proveer a las células especializadas de suficiente actividad Cdk
quinasa para que las células puedan dividirse dentro de su entorno de acuerdo a las
necesidades específicas del organismo.
Hacia nuevas dianas
Los trabajos anteriores tienen también una importancia colateral para el desarrollo de
terapias específicas para el tratamiento de tumores humanos. Las Cdk han sido objeto
de gran interés como dianas terapéuticas (después de todo, el cáncer se produce por
una proliferación anormal de las células) por la práctica totalidad de las grandes
empresas farmacéuticas. Desgraciadamente, hasta el momento ningún inhibidor de las
Cdks ha conseguido resultados que le permitan avanzar más allá de la fase II en los
ensayos clínicos. El conocimiento de la función individual de cada Cdk en su entorno
fisiológico nos va a permitir determinar en los próximos meses/años qué estrategia
seguir para que la inhibición de una o más Cdk pueda tener un efecto inhibidor en la
proliferación de células tumorales, sin afectar, o comprometiendo mínimamente, a las
células normales del paciente de cáncer. Estos estudios permitirán de una vez por
todas validar (o no) a las Cdk como dianas de interés terapéutico en cáncer.
NOTAS
1) El CNIO es uno de los pocos centros europeos de investigación en cáncer de
excelencia internacional que combina de forma efectiva la investigación básica y
la aplicada. Para una información más detallada acerca del CNIO, sus programas
de investigación, lista de publicaciones, conferencias y simposios
internacionales, y la última memoria científica disponible puede visitar
www.cnio.es o contactar directamente a.
2) David Santamaría
Centro Nacional de Investigaciones Oncológicas
Melchor Fernández Almagor, 3.
28029 Madrid
Tfno. +34 912246900, Fax: +34 912246980
Email: dsantamaria@cnio.es