apuntes de biología

¿Tras la viruela la polio?

Lejos quedan en el tiempo los procedimientos llevados a cabo por los chinos para prevenir el desarrollo de la muy temida y mortal enfermedad de la viruela. El proceso de variolización se podía realizar antiguamente de tres formas principales:

- Una de estas formas consistía en tomar con una aguja pus y fluidos de una pústula que se depositaban, mediante un pinchazo, bajo la piel de la persona a inmunizar.

- Un segundo método se basaba en tomar trozos de las pústulas, secarlos y molerlos hasta obtener un polvo que era inhalado por el individuo.

- El tercer método implicaba tomar una pequeña cantidad de este polvo con una aguja e introducirlo directamente en las venas de los individuos.

Este último método fue el que, tras ser observado por la esposa del embajador británico en Turquía Lady Mary Wortley Montagu, llegó hasta el mundo occidental a comienzos de 1700, si bien con escaso éxito. Un médico inglés, Edward Jenner, se dedicó a estudiar el proceso de inmunización frente a esta enfermedad, llegando incluso a llevar a cabo en 1796 el famoso experimento de infección intencionada de un ser humano previamente inmunizado; hecho que hoy día sería tachado de falta de ética por la comunidad científica actual.

El proceso de vacunación ideado por Jenner ha progresado tanto desde entonces y se ha extendido de modo tan creciente su uso, que ha traído como resultado un descenso marcado en la morbilidad de muchas enfermedades. Tanto que la viruela ha sido declarada por la OMS como enfermedad erradicada. El virus de la viruela sólo se puede localizar ahora en los congeladores de los laboratorios altamente especializados de la CDC (Centro para el Control de Enfermedades) de Atlanta, del Instituto de Preparaciones Virales de Moscú y del Laboratorio de Virología de Londres.

¿Cómo se consigue la erradicación de una enfermedad por medio de la vacunación? La efectividad de las vacunas en la prevención de las enfermedades no se produce sólo a nivel individual, sino también al nivel poblacional. Para que una enfermedad se disemine en una comunidad son necesarios individuos infectados e individuos susceptibles. La inmunidad a nivel poblacional busca conseguir un descenso en el número de los individuos susceptibles. Cuando el número de estos individuos baja lo suficiente, la enfermedad desaparece de dicha comunidad porque no hay hospedadores susceptibles para mantener el ciclo de infección. Cuanto mayor es el número de individuos vacunados, más rápidamente decrece la incidencia de una enfermedad. Pero su erradicación sólo se puede conseguir si el organismo causante de la misma sólo afecta a los humanos y no dispone de otros huéspedes posibles; si su material genético es lo suficientemente estable; y si la vacuna que se emplea es de fácil obtención y de bajo coste. Como se ha indicado, de esta forma se ha conseguido la erradicación de la viruela. Pero, ¿cuál será la siguiente enfermedad en seguir el camino de la viruela?

Parece ser que otra enfermedad vírica, la poliomielitis, puede ser la siguiente en la lista de enfermedades erradicadas del planeta. Ya prácticamente se la puede catalogar así en el mundo industrializado, pero no ocurre lo mismo en los países del tercer mundo con pésimas condiciones higiénico-sanitarias. El virus de la polio penetra en el cuerpo humano por la nariz o la boca, alcanzado el intestino, donde se replica activamente en un corto periodo de tiempo. En unos pocos días, los individuos infectados o se muestran asintomáticos o experimentan síntomas parecidos a los de una gripe, como dolor de cabeza, náuseas, vómitos y fiebre. Desde este momento, tanto en un caso como en otro, se convierten en individuos transmisores de la enfermedad. La transmisión se produce a través del contacto con heces o microgotas que, transportadas por el aire, contaminan agua o alimentos. El virus penetra en la corriente sanguínea y el individuo infectado genera anticuerpos contra él. Sólo un 10% de estos individuos muestra síntomas y tan sólo un 1% desarrollan la forma paralítica de la enfermedad.

Sólo en un 1% de casos el virus llega hasta el cerebro y la médula espinal donde se multiplica destruyendo el tejido nervioso. A este nivel, la enfermedad puede ser clasificada como espinal o bulbar, dependiendo de qué nervios son los afectados. En cualquier caso, ambas se caracterizan por dolor muscular, rigidez de cuello y espalda y posible parálisis. La forma espinal afecta a las extremidades mientras que la bulbar lo hace a los pulmones, impidiendo la respiración. La búsqueda de una vacuna para la polio había comenzado, con escaso éxito, a comienzos de 1900. Esta falta de éxito se debía al desconocimiento de la existencia de más de un virus. Hoy en día sabemos que la polio es causada por tres cepas de virus bastante estables, pertenecientes a la familia de los Picornaviridae y, por tanto, con ARN como material genético.

El avance en la investigación de la enfermedad y en la búsqueda de una vacuna eficaz, se puede achacar en buena parte a un personaje histórico afectado de polio, el presidente de los EEUU, Franklin Delano Rooselvelt. Siendo tan sólo un joven político, Rooselvelt contrajo la enfermedad en el verano de 1921. La parálisis que afectó a sus piernas no consiguió que se detuviera su brillante carrera política ni que se convirtiera en presidente de los EEUU y en un adalid en la lucha contra la poliomielitis. De hecho, desde la organización March of Dimes, fundada con la ayuda de Rooselvelt, llegó la primera de las vacunas contra la polio.

La vacuna desarrollada por el Dr. Jonas Salk en 1952 era una vacuna de las denominadas inactivadas, en las que se emplea el organismo completo, pero inactivado mediante el uso de formaldehído. El uso de la vacuna de Salk provocó un descenso espectacular en los casos de polio, si bien con algunas incidencias de la enfermedad, incluyendo diez muertes, debido a una incompleta inactivación de algunas partículas víricas. En un intento de mejorar esta vacuna, el Dr. Albert Bruce Sabin, en 1957, desarrolló una vacuna atenuada que se daba en tres dosis orales en los dos primeros años de vida con una dosis de recuerdo al comenzar la edad escolar. Ambas vacunas han sido extensivamente utilizadas en el mundo, provocando un marcado descenso en el número de casos de poliomielitis.

A ambas vacunas hay que añadir las investigaciones, encuadradas dentro de la tecnología del ADN recombinante, para la elaboración de una vacuna sintética. Se están clonando los genes del poliovirus que codifican la síntesis de la cápside viral, utilizando Escherichia coli como célula hospedadora. En el año 1988, la OMS pronosticó la erradicación total de la polio para el año 2000. En la práctica no ha resultado posible, pero no queda lejano el día en el que la polio siga los pasos de la viruela.

Terminación de la replicación en los eucariotas

La terminación de la replicación de los cromosomas de las células eucarióticas está estrechamente relacionada con el problema de la duplicación de los DNA lineales: al final del proceso, los nuevos DNA quedan con un extremo romo y un extremo 3’ protuberante que no puede ser replicado por las DNA polimerasas celulares. Esto daría como consecuencia un acortamiento progresivo de los cromosomas tras cada ciclo de replicación. Para evitarlo, los eucariotas han desarrollado una estrategia consistente en elongar los extremos de los DNA 3’ protuberantes de manera que no queden secuencias importantes del cromosoma sin replicar. Además, si los extremos de los cromosomas estuvieran libres, serían rápidamente atacados por los mecanismos de reparación celular, lo que provocaría su desestabilización. Para que los cromosomas sean estables se forman complejos específicos de DNA y proteínas en sus extremos, que se denominan telosomas.

El DNA telomérico de los telosomas consiste en secuencias de DNA muy simples de 5 a 8 nucleótidos, y repetidas en tándem. La secuencia y el número de veces que se repite es típico de cada especie. Cada repetición telomérica de bases es rica en C y G, agrupadas en "clusters". Además, las G se encuentran en la cadena 5’T3’ desde el centrómero hacia el extremo (cadena G), y la cadena complementaria es la rica en C (cadena C). La cadena G, además, sobresale en dirección 3’, formando una estructura monocatenaria denominada protuberancia G. La protuberancia G puede plegarse en una estructura denominada DNA-G4 o "quadruplex". El bloque sobre el que se construyen estas estructuras son los cuartetos de G: asociación de 4 guaninas en un ordenamiento cíclico mediante puentes de hidrógeno de Hoogsteen, lo que confiere al cuarteto de G gran estabilidad termodinámica. En mamíferos no parecen existir los DNA-G4, sino una estructura distinta, el lazo t, formado por la invasión de la protuberancia G sobre las repeticiones teloméricas.

La similitud existente entre las repeticiones teloméricas de distintos organismos sirve para reclutar proteínas que las unen específicamente. Dicho reconocimiento se realiza a través de un dominio de unión al DNA que se suele denominar telocaja ("telobox"). En el caso de Saccharomyces, la proteína del telosoma que contiene la telocaja es Rap1p (Repressor Activator Protein), que recubre completamente el DNA telomérico. A su vez, Rap1p recluta otras moléculas (proteínas Sir y Rif) y ensambla el definitivo complejo telosómico. El DNA telomérico de los vertebrados es reconocido por dos proteínas: Trf1p y Trf2p (Telomeric Repeat binding Factor). Al igual que Rap1p, la unión es muy específica de la repetición telomérica, jugando un papel muy importante en la inducción de la formación de lazos t.

Una compleja serie de señales celulares es la que determinará si el DNA telomérico debe o no ser elongado por la telomerasa. Los componentes básicos de la telomerasa son una subunidad ribonucleica y otra proteica. La primera contiene el molde para las repeticiones teloméricas, y se denomina TR (telomerase RNA). La subunidad que contiene la actividad catalítica es homóloga a las retrotranscriptasas y se denomina TERT (telomerase reverse transcriptase). La subunidad TR varía tanto de secuencia como de longitud en distintos organismos, mientras que la estructura secundaria que tienen todas es la misma. Su papel es contener de 1,2 a 2 copias del molde de la repetición telomérica y la modular la actividad catalítica de la subunidad TERT. Las subunidades TERT presentan clara homología con las retrotranscriptasas, aunque son mucho mayores que éstas. En distintos organismos aparecen una serie de subunidades proteicas adicionales que le confieren su actividad definitiva y la regulación específica.

El sustrato que reconoce la telomerasa es un DNA monocatenario de longitud mayor a 20 nt, cuyo extremo 3’ presenta una secuencia complementaria al molde contenido en la enzima. La asociación entre el sustrato y la enzima se consigue gracias a los sitios catalítico y de anclaje, localizados en puntos distintos de la subunidad TERT. La reacción comienza cuando el extremo 3’ del DNA se coloca sobre el centro activo y se alinea con la secuencia molde de la subunidad TR. Los nucleótidos se van añadiendo uno a uno hasta copiar todo el molde. Se produce entonces la translocación de la telomerasa para iniciar un nuevo ciclo de síntesis, para lo que el extremo 3’ del DNA sustrato ha de recolocarse en el comienzo de la secuencia molde sobre el centro activo. Dado que el molde es RNA y que lo que se copia es DNA, se explica claramente por qué existe homología entre TERT y las retrotranscriptasas: ambas catalizan el mismo tipo de reacción. La diferencia es que las retrotranscriptasas hacen una síntesis lineal, mientras que la telomerasa hace un proceso cíclico.

En algunos tipos de insectos y algunas plantas donde la telomerasa se ha perdido durante la evolución, los extremos cromosómicos se extienden por recombinación. En otros insectos se ha comprobado que la longitud del DNA telomérico se mantiene con retrotransposones que se transponen específicamente en los extremos de los cromosomas.

El mantenimiento de la longitud del DNA telomérico es un proceso que implica un intrincado balance de factores en competición, tanto los que provocan su síntesis como los que inducen su degradación. El que la longitud de los telómeros sea característica de las especies se debe al número de proteínas con telocaja que se unen a las repeticiones teloméricas. Los telómeros que por cualquier razón no tienen suficientes repeticiones serían reconocidos por la telomerasa, que añadiría repeticiones teloméricas hasta llegar a la longitud adecuada.

La subunidad TERT está sometida a regulación transcripcional mientras que TR se expresa constitutivamente. La fosforilación de la telomerasa aumenta su actividad. La capacidad de realizar una o más rondas de síntesis de repeticiones teloméricas (procesividad) aumenta con el grado de oligomerización de la enzima.

En humanos, la telomerasa no se expresa en células somáticas, con lo que se ha sugerido la posibilidad de que la longitud del DNA telomérico pueda servir de reloj mitótico que actuaría limitando el potencial replicativo de las células in vivo e in vitro al irse acortando el DNA telomérico con las divisiones celulares. De hecho, los telosomas en personas de edad avanzada son más pequeños que en los jóvenes. En cambio, muchas células tumorales sí expresan telomerasa y mantienen constante la longitud de los telómeros, lo que está haciendo centrar la atención de las terapias antitumorales en el control de la expresión de la telomerasa en células cancerosas.

Un homólogo de beta-catenina en un organismo no metazoo

Las proteínas sustentan muchas de las funciones celulares: forman parte de la cascada de transducción de señales que comienza con la activación de un receptor, son las responsables de la relación de la célula con su medio o de la célula con otra célula vecina, dan forma a la célula constituyendo el citoesqueleto, etc. Pero estamos acostumbrados a que una proteína tenga una sola función o, al menos, que si tiene varias funciones éstas formen parte de un mismo tipo (o son factores de transcripción que activan muchos genes o son proteínas que participan en distintas cascadas de transducción de señales iniciadas por distintos factores de crecimiento, etc). Pero esto no siempre es así.

La b-catenina es una proteína que interviene en dos procesos totalmente distintos: es una proteína estructural que forma parte de las uniones entre células epiteliales vecinas. La b-catenina se une a la a y g-catenina, que a su vez se unen al citoesqueleto de actina de la célula y, además, nuestra proteína conecta con cadherinas transmembranarias que se relacionan con cadherinas de células vecinas, constituyendo así un fuerte ensamblaje que conecta las células entre sí. Pero también la b-catenina puede actuar fuera del complejo de los contactos focales activando factores de transcripción y provocando la activación de genes. La b-catenina, como todas las proteínas, está sometida a una cinética de síntesis y degradación y, por tanto, también se encuentra normalmente en estado estacionario. Cuando la velocidad de síntesis es mayor que la de degradación tenemos una disponibilidad de b-catenina citoplasmática que no está unida a la actina. Esta b-catenina citoplasmática se une a dos factores de transcripción (los llamados TCF y LEF) que resultan activados, translocan al núcleo y determinan así la transcripción de una serie de genes específicos (ciclinas, etc.). La degradación de la b-catenina queda determinada por su fosforilación y es la maquinaria de fosforilación la que la célula utiliza para regular este proceso.

Hasta hoy se creía que los complejos de unión constituían una característica exclusiva de los metazoos. La presencia de estos complejos podía pues considerarse como una sinapomorfía del Reino Animal, pero esto parece que no es así. Se ha descubierto que Dictyostelium discoideum presenta una proteína, aardvark, que es muy similar a la b-catenina, ya que comparte sus mismas funciones y se parece estructuralmente a ella [Grimson et al, Nature 408:727-731 (2000)].

Dictyostelium discoideum es un organismo unicelular ameboide que en condiciones limitantes forma un cuerpo fructífero. Este cuerpo es una estructura pluricelular que está formada por un tallo que se estrecha en su parte apical mediante un anillo de actina que lleva unida la proteína aardvark. La función de este cuerpo fructífero es la dispersión de esporas, pequeñas esferas que germinan cuando las condiciones del medio lo permiten. Pues bien, aardvark forma parte de las uniones intercelulares del anillo apical de este cuerpo fructífero uniendo los citoesqueletos de las células que lo componen y se sabe que esta misma proteína inicia la cascada que termina por transcribir los genes necesarios para la diferenciación de células madre en esporas.

Pero, ¿qué importancia puede tener esto?. Hasta hoy se creía que los complejos de unión eran estructuras que se habían desarrollado con la adquisición de la pluricelularidad, que la b-catenina debía haber aparecido más o menos hacia el origen de los metazoos y no se tenían pistas de cómo se podrían haber seleccionado este tipo de uniones celulares. Pues bien, el caso de Dictyostelium discoideum nos permite aventurar cómo pudo ocurrir la transición hacia la pluricelularidad, aprovechando moléculas implicadas en la adquisición temporal de uniones entre organismos unicelulares. Como vemos, la b-catenina y su pariente aardvark son un claro ejemplo de lo que llamamos bricolaje evolutivo.