Imagen tridimensional detallada capta un regulador clave de la diferenciación de células madre neurales en acción

7 de diciembre de 2006

Imagen tridimensional detallada capta un regulador clave de la diferenciación de células madre neurales en acción

7 de diciembre de 2006

La Jolla, CA - Investigadores del Instituto Salk de Estudios Biológicos en colaboración con científicos de la Universidad de California, San Diego (UCSD) tomaron una "toma de acción" de alta resolución de un interruptor de proteína que juega un papel crucial en el desarrollo de la sistema nervioso. Sus hallazgos, publicados en la edición del 8 de diciembre de la revista Célula Molecular, proporciona una plantilla para el diseño de inhibidores de moléculas pequeñas para controlar ese interruptor, una proteína llamada Scp1, a voluntad.

"Scp1 es un freno importante que regula la transición del precursor neuronal a la neurona madura", explica el autor principal. jose noel, Ph.D, investigador del Instituto Médico Howard Hughes en Salk. “Aflojar el freno con un inhibidor nos permitiría influir en el momento de la diferenciación neuronal”, añade.

Una red finamente sintonizada de interruptores moleculares de "encendido" y "apagado" orquesta la diferenciación de las células madre embrionarias en diferentes tipos de tejido. Ser capaz de manipular interruptores individuales permitiría a los científicos impulsar a las células madre embrionarias para que se conviertan en tipos de células específicos, una ventaja tanto para la investigación básica como para las terapias potenciales.

"Por el momento, la diferenciación de células madre en neuronas en una placa de Petri es un poco como una caja negra y no muy eficiente", explica el coautor. samuel pff, Ph.D., profesor del Laboratorio de Expresión Génica de Salk, quien junto con el coautor Gordon Gill, Ph.D., de los Departamentos de Medicina y Medicina Celular y Molecular de la UCSD, descubrió que Scp1 silencia los genes específicos de las neuronas en células no neuronales el año pasado. “Tener un inhibidor específico nos daría mucha información sobre el desarrollo del sistema nervioso fetal y nos permitiría empujar químicamente a las células madre embrionarias para que adquieran un destino neuronal de manera informada”, agrega Pfaff.

Scp1 pertenece al grupo de proteínas llamadas pequeñas fosfatasas carboxilo terminales (SCP) que se expresan en casi todos los tejidos del cuerpo. Cuando está activo, Scp1 evita que la enzima ARN polimerasa II lea y active genes neuronales en tejidos donde no deberían expresarse, como la piel, los músculos y el hígado. En el sistema nervioso, Scp1 se apaga, lo que permite que la ARN polimerasa II transcriba de manera eficiente la información codificada por genes neuronales e impulsa la maduración de las células madre neurales en neuronas especializadas.

"Scp1 es un giro interesante sobre cómo se pueden regular los genes durante el desarrollo", dice Pfaff. “En el pasado se ha hecho mucho hincapié en las modificaciones de la cromatina y el acceso físico a los genes, pero Scp1 regula la actividad de la enzima que transcribe los genes directamente”, añade.

Scp1 no es la única proteína que influye directamente en la actividad de la ARN polimerasa II. Una brigada en constante fluctuación de soldados de a pie enzimáticos regula la actividad de la ARN polimerasa II modificando químicamente la larga cola en forma de cordón que cuelga de su estructura globular, como una cadena en una lámpara.

Las enzimas llamadas quinasas encienden la "luz" al agregar pequeños grupos químicos de fosfato, lo que le da a la ARN polimerasa el visto bueno para transcribir genes, mientras que la eliminación de esos fosfatos por fosfatasas como Scp1 apaga la luz, deteniendo efectivamente a la ARN polimerasa.

Noel y el becario postdoctoral Yan Zhang, Ph.D, analizaron la estructura cristalina de Scp1 y la ARN polimerasa juntas y obtuvieron una imagen tridimensional que muestra cómo Scp3 se cuelga de los siete residuos de aminoácidos reiterados en la cola de la polimerasa. "Capturamos Scp1 unido a una sola repetición larga de siete aminoácidos que contenía fosfatos específicos", explica Zhang, el primer autor del artículo. "Resulta que solo tres aminoácidos son importantes para la capacidad de Scp1 de saber cómo eliminar los fosfatos de la ARN polimerasa".

Agrega que saber cómo las enzimas como Scp1 reconocen con precisión que el tramo de siete aminoácidos es exactamente el tipo de "información inequívoca relevante para el diseño de un inhibidor químico mediante un proceso conocido como diseño de fármacos basado en la estructura".

Aprovechando la información obtenida de sus estudios estructurales, el laboratorio de Noel ya ha comenzado ese programa basado en la estructura. “Hemos diseñado la primera generación de inhibidores y ahora se trata de sintetizarlos químicamente, probarlos en tubos de ensayo y células, y crear imágenes de ellos unidos a Scp1 en 3D”, dice Noel. Esto sentará las bases para el ajuste racional de su eficacia utilizando un proceso establecido que Noel compara con la odontología molecular, porque su grupo se esfuerza por dar forma a moléculas inhibidoras que encajen en el surco de Scp1 de la misma manera que un dentista moldea un empaste para encajar la cavidad en el diente de un paciente.

Los investigadores que contribuyeron al trabajo incluyen a Nicolas Genoud, Ph.D., en el Laboratorio de Expresión Génica del Instituto Salk, Jack E. Dixon, Ph.D., y Youngjun Kim, Ph.D., en los Departamentos de Farmacología y Medicina Celular y Molecular en UCSD, y Jianmin Gao, Ph.D., y Jeffery W. Kelly, Ph.D., en el Instituto Skaggs de Biología Química del Instituto de Investigación Scripps, La Jolla.

El Instituto Salk de Estudios Biológicos en La Jolla, California, es una organización independiente sin fines de lucro dedicada a los descubrimientos fundamentales en las ciencias de la vida, la mejora de la salud humana y la capacitación de futuras generaciones de investigadores. Jonas Salk, MD, cuya vacuna contra la poliomielitis casi erradicó la poliomielitis, una enfermedad paralizante en 1955, inauguró el Instituto en 1965 con un terreno donado por la ciudad de San Diego y el apoyo financiero de March of Dimes.