La mayoría de las proteínas se localizan en distintas gotas ricas en proteínas en las células, también conocidas como « condensados ​​celulares ». Tales proteínas contienen características de secuencia que funcionan como etiquetas de dirección, indicando a la proteína a qué condensado debe moverse. Cuando las etiquetas se estropean, las proteínas pueden terminar en el condensado equivocado. Según un equipo internacional de investigadores de medicina clínica y biología básica, esta podría ser la causa de muchas enfermedades no resueltas. Los hallazgos aparecieron en la revista Nature.

Los pacientes con síndrome de BPTA tienen extremidades característicamente malformadas con dedos cortos y dedos adicionales en los pies, huesos de tibia faltantes en las piernas y tamaño reducido del cerebro. Como descubrieron los investigadores, el BPTAS es causado por un cambio genético especial que hace que una proteína esencial migre al nucléolo, una gran gota proteica en el núcleo de la célula. Como resultado, se inhibe la función del condensado nucleolar y se desarrolla una enfermedad del desarrollo.

« Lo que descubrimos en esta enfermedad podría aplicarse a muchos más trastornos. Es probable que no sea un unicornio raro que existe solo una vez. Simplemente no pudimos ver el fenómeno hasta ahora porque no sabíamos cómo buscarlo », dice Denise. Horn, genetista clínico del Instituto de Genética Médica y Humana de Charité, Universitätsmedizin Berlin.

En colaboración con científicos del Instituto Max Planck de Genética Molecular (MPIMG) en Berlín, el Hospital Universitario Schleswig-Holstein (UKSH) y colaboradores de todo el mundo, el equipo está abriendo una puerta a nuevos diagnósticos que podrían conducir a la aclaración de muchas otras enfermedades, así como posibles terapias futuras.

« Descubrimos un nuevo mecanismo que podría estar en juego en una amplia gama de enfermedades, incluidas las enfermedades hereditarias y el cáncer », dice Denes Hnisz, líder del grupo de investigación de MPIMG. « De hecho, hemos descubierto más de 600 mutaciones similares, 101 de las cuales se sabe que están asociadas con diferentes trastornos ».

« El trabajo real recién comienza ahora », agrega el genetista humano Malte Spielmann de UKSH en Lübeck y Kiel. « Encontraremos muchos más genes con tales mutaciones que causan enfermedades y ahora podemos probar su modo de acción ».

Una mutación inusual

Las personas afectadas tienen malformaciones complejas y llamativas de las extremidades, la cara y los sistemas nervioso y óseo, descritas solo parcialmente por el ya largo nombre de la enfermedad « síndrome de braquifalangia-polidactilia-aplasia tibial/hipoplasia » (BPTAS).

« Con menos de diez casos documentados en todo el mundo, la enfermedad no solo es rara, sino ultra rara », dice Martin Mensah, genetista clínico del Instituto de Genética Médica y Humana de Charité. Para rastrear la causa, él y sus colegas decodificaron el genoma de cinco individuos afectados y encontraron que el gen de la proteína HMGB1 estaba alterado en todos los pacientes.

Esta proteína tiene la función de organizar el material genético en el núcleo celular y facilita la interacción de otras moléculas con el ADN, por ejemplo para leer genes.

En ratones, una pérdida completa del gen en ambos cromosomas es catastrófica y conduce a la muerte del embrión. Sin embargo, en algunos pacientes con solo una copia mutada, las células están usando la copia intacta en el otro cromosoma, lo que resulta solo en un leve retraso en el desarrollo neurológico. Pero los casos recién descubiertos no encajaban en este esquema.

« Los cinco individuos no relacionados presentaban el mismo trastorno ultra raro y tenían prácticamente la misma mutación », dice Mensah, miembro del Programa de Científicos Clínicos operado por el Instituto de Salud de Berlín en Charité (BIH) y Charité. « Es por eso que estamos seguros de que la mutación HMGB1 es la causa de la enfermedad. Sin embargo, en ese momento, no teníamos idea de cómo el producto del gen causaba funcionalmente la enfermedad, especialmente dado que se informó que las mutaciones de pérdida de función resultaron en otros fenotipos ».

Extensiones de proteínas cargadas

Una mirada más cercana reveló que diferentes mutaciones de HMGB1 tienen diferentes consecuencias. Los datos de secuenciación mostraron que en los individuos afectados con malformaciones severas, el marco de lectura para el tercio final del gen HMGB1 está cambiado.

Después de la traducción a proteína, la región correspondiente ya no está equipada con bloques de construcción de aminoácidos negativos sino con carga positiva. Esto puede suceder si falta un número de letras genéticas que no es divisible por tres en la secuencia, porque siempre exactamente tres letras consecutivas codifican un bloque de construcción de la proteína.

Sin embargo, la parte de la cola de la proteína no tiene una estructura definida. En cambio, esta sección cuelga de la molécula como una banda elástica suelta. Los propósitos de tales colas de proteínas (también llamadas « regiones intrínsecamente desordenadas ») son difíciles de estudiar porque a menudo se vuelven efectivos solo en conjunto con otras moléculas. Entonces, ¿cómo podría su mutación conducir a la enfermedad observada?

Gotas de proteína en la célula.

Para responder a esta pregunta, los investigadores médicos se acercaron a los bioquímicos Denes Hnisz y Henri Niskanen del MPIMG, quienes trabajan con condensados ​​celulares que controlan genes importantes. Estas estructuras en forma de gotas se comportan de manera muy similar a las gotas de aceite y vinagre en un aderezo para ensaladas. Compuestos por un gran número de moléculas diferentes, se separan de su entorno y pueden sufrir cambios dinámicos.

« Creemos que los condensados ​​se forman en la celda por razones prácticas », explica Niskanen. Las moléculas para una tarea específica se agrupan de esta manera, por ejemplo, para leer un gen. Solo para esta tarea, dice, varios cientos de proteínas necesitan llegar de alguna manera al lugar correcto.

« Se cree que las regiones intrínsecamente desordenadas, que tienden a no tener un papel bioquímico obvio, son responsables de formar condensados », dice Niskanen, dando un ejemplo para describir cuán importantes son las propiedades físicas de las extensiones de proteínas en este sentido. « Puedo hacer fácilmente una pelota con muchas bandas de goma sueltas que se mantienen unidas con relativa fuerza y ​​que se pueden desarmar con poco esfuerzo. Una pelota de hilo de pescar suave o cinta adhesiva, por otro lado, se comportaría de manera muy diferente ».

Gotas de solidificación

El nucléolo dentro del núcleo celular también es un condensado, que aparece como una mancha oscura difusa bajo el microscopio. Aquí es donde a muchas proteínas con colas cargadas positivamente les gusta quedarse. Muchos de estos proporcionan la maquinaria requerida para la síntesis de proteínas, lo que hace que este condensado sea esencial para las funciones celulares.

La proteína mutante HMGB1 con su cola molecular cargada positivamente también es atraída por el nucléolo, como observó el equipo en experimentos con proteínas aisladas y cultivos celulares.

Pero dado que la región de la proteína mutada también ha ganado una parte aceitosa y pegajosa, tiende a agruparse. El nucléolo pierde sus propiedades fluidas y se solidifica cada vez más, lo que Niskanen pudo observar bajo el microscopio. Esto afectó las funciones vitales de las células: con la proteína mutada, murieron más células en un cultivo en comparación con un cultivo de células sin la mutación.

Peinando a través de bases de datos

Luego, el equipo de investigación buscó en las bases de datos de datos genómicos de miles de personas en busca de incidentes similares. De hecho, los científicos pudieron identificar más de seiscientas mutaciones similares en 66 proteínas, en las que el marco de lectura había sido desplazado por una mutación en la cola de la proteína, haciéndola más cargada positivamente y más « grasa ». De las mutaciones, 101 se habían relacionado previamente con varios trastornos diferentes.

Para un ensayo de cultivo celular, el equipo seleccionó 13 genes mutantes. En 12 de 13 casos, las proteínas mutantes tenían preferencia por localizarse en el nucléolo. Aproximadamente la mitad de las proteínas analizadas afectaron la función del nucléolo, asemejándose al mecanismo de enfermedad del síndrome BPTA.

Nuevas explicaciones para enfermedades existentes

« Para la investigación clínica, nuestro estudio podría tener un efecto revelador », dice Malte Spielmann, quien dirigió la investigación junto con Denes Hnisz y Denise Horn. « En el futuro, sin duda podremos dilucidar las causas de algunas enfermedades genéticas y, con suerte, algún día tratarlas ».

Sin embargo, « las enfermedades genéticas congénitas como BPTAS son casi imposibles de curar incluso con nuestros nuevos conocimientos », dice Horn. « Debido a que las malformaciones ya se desarrollan en el útero, tendrían que ser tratadas con medicamentos antes de que se desarrollen. Esto sería muy difícil de hacer ».

Pero las enfermedades tumorales también están predominantemente determinadas genéticamente, agrega Hnisz : « Los condensados ​​celulares y la separación de fases asociada son un mecanismo fundamental de la célula que también juega un papel en el cáncer. Las posibilidades de desarrollar terapias dirigidas para esto son mucho mejores ».