Una de las clases más importantes de enzimas humanas son las proteínas quinasas, moléculas de señalización que regulan casi todas las actividades celulares, incluido el crecimiento, la división celular y el metabolismo. La disfunción en estas vías celulares puede conducir a una variedad de enfermedades, particularmente al cáncer.

La identificación de las proteínas quinasas involucradas en la disfunción celular y el desarrollo del cáncer podría generar muchos nuevos objetivos farmacológicos, pero para la gran mayoría de estas quinasas, los científicos no tienen una idea clara de en qué vías celulares están involucradas o cuáles son sus sustratos.

« Tenemos muchos datos de secuenciación para los genomas del cáncer, pero lo que nos falta es el estudio a gran escala de la vía de señalización y los estados de activación de la proteína quinasa en el cáncer. Si tuviéramos esa información, tendríamos una idea mucho mejor de cómo para medicamentos de tumores particulares », dice Michael Yaffe, profesor de Ciencias David H. Koch en el MIT, director del Centro de Medicina del Cáncer de Precisión del MIT, miembro del Instituto Koch para la Investigación Integrativa del Cáncer del MIT y uno de los principales autores del nuevo estudio.

Yaffe y otros investigadores ahora han creado un atlas completo de más de 300 de las proteínas quinasas que se encuentran en las células humanas e identificaron qué proteínas es probable que se dirijan y controlen. Esta información podría ayudar a los científicos a descifrar muchas vías de señalización celular y ayudarlos a descubrir qué sucede con esas vías cuando las células se vuelven cancerosas o se tratan con medicamentos específicos.

Lewis Cantley, profesor de biología celular en la Escuela de Medicina de Harvard y el Instituto del Cáncer Dana Farber, y Benjamin Turk, profesor asociado de farmacología en la Escuela de Medicina de Yale, también son autores principales del artículo, que aparece hoy en Nature. Los autores principales del artículo son Jared Johnson, profesor de farmacología en el Weill Cornell Medical College, y Tomer Yaron, estudiante de posgrado en el Weill Cornell Medical College.

« Una piedra de Rosetta »

El genoma humano incluye más de 500 proteínas quinasas, que activan o desactivan otras proteínas etiquetándolas con una modificación química conocida como grupo fosfato. Para la mayoría de estas quinasas, se desconocen las proteínas a las que se dirigen, aunque la investigación de quinasas como MEK y RAF, que están involucradas en vías celulares que controlan el crecimiento, ha llevado a nuevos medicamentos contra el cáncer que inhiben esas quinasas.

Para identificar vías adicionales que están desreguladas en las células cancerosas, los investigadores confían en la fosfoproteómica mediante espectrometría de masas, una técnica que separa las moléculas en función de su masa y carga, para descubrir proteínas que están más fosforiladas en células cancerosas o células sanas. Sin embargo, hasta ahora, no ha habido una manera fácil de interrogar los datos de espectrometría de masas para determinar qué proteína quinasas son responsables de fosforilar esas proteínas. Por eso, se desconoce cómo se regulan o se desregulan esas proteínas en la enfermedad.

« Para la mayoría de los fosfopéptidos que se miden, no sabemos dónde encajan en una vía de señalización. No tenemos una piedra de Rosetta que pueda usar para observar estos péptidos y decir, esta es la vía que los datos nos está hablando », dice Yaffe. « La razón de esto es que para la mayoría de las proteínas quinasas, no sabemos cuáles son sus sustratos ».

Hace veinticinco años, mientras hacía un posdoctorado en el laboratorio de Cantley, Yaffe comenzó a estudiar el papel de las proteínas quinasas en las vías de señalización. Turk se unió al laboratorio poco después, y los tres han pasado décadas estudiando estas enzimas en sus propios grupos de investigación.

« Esta es una colaboración que comenzó cuando Ben y yo estábamos en el laboratorio de Lew hace 25 años, y ahora todo finalmente se está uniendo, impulsado en gran parte por lo que hicieron los autores principales, Jared y Tomer », dice Yaffe.

En este estudio, los investigadores analizaron dos clases de quinasas, las serina quinasas y las treonina quinasas, que constituyen aproximadamente el 85 por ciento de las proteínas quinasas en el cuerpo humano, según el tipo de motivo estructural en el que colocan los grupos fosfato.

Trabajando con una biblioteca de péptidos que Cantley y Turk habían creado previamente para buscar motivos con los que interactúan las quinasas, los investigadores midieron cómo los péptidos interactuaban con las 303 serina y treonina quinasas conocidas. Usando un modelo computacional para analizar las interacciones que observaron, los investigadores pudieron identificar las quinasas capaces de fosforilar cada uno de los 90.000 sitios de fosforilación conocidos que se han informado en células humanas, para esas dos clases de quinasas.

Para su sorpresa, los investigadores encontraron que muchas quinasas con secuencias de aminoácidos muy diferentes han evolucionado para unirse y fosforilar los mismos motivos en sus sustratos. También mostraron que aproximadamente la mitad de las quinasas que estudiaron se dirigen a una de las tres clases principales de motivos, mientras que la mitad restante son específicas de una de una docena de clases más pequeñas.

Redes de decodificación

Este nuevo atlas de quinasas puede ayudar a los investigadores a identificar vías de señalización que difieren entre células normales y cancerosas, o entre células cancerosas tratadas y no tratadas, dice Yaffe.

« Este atlas de motivos de quinasa ahora nos permite decodificar redes de señalización », dice. « Podemos observar todos esos péptidos fosforilados y podemos mapearlos nuevamente en una quinasa específica ».

Para demostrar este enfoque, los investigadores analizaron células tratadas con un medicamento contra el cáncer que inhibe una quinasa llamada Plk1, que regula la división celular. Cuando analizaron la expresión de proteínas fosforiladas, encontraron que muchas de las afectadas estaban controladas por Plk1, como esperaban. Para su sorpresa, también descubrieron que este tratamiento aumentaba la actividad de dos quinasas que están involucradas en la respuesta celular al daño del ADN.

El laboratorio de Yaffe ahora está interesado en usar este atlas para tratar de encontrar otras vías de señalización disfuncionales que impulsen el desarrollo del cáncer, particularmente en ciertos tipos de cáncer para los que no se han encontrado impulsores genéticos.

« Ahora podemos usar la fosfoproteómica para decir, tal vez en el tumor de este paciente, estas vías están reguladas al alza o a la baja », dice. « Es probable que identifique las vías de señalización que impulsan el cáncer en condiciones en las que no es obvio cuál es la genética que impulsa el cáncer ».

La investigación fue financiada por la Sociedad de Lucha contra la Leucemia y el Linfoma, los Institutos Nacionales de Salud, Cancer Research UK, Brain Tumor Charity, la fundación Charles y Marjorie Holloway, el Centro de Medicina del Cáncer de Precisión del MIT y la subvención de apoyo (básico) del Instituto Koch. del Instituto Nacional del Cáncer.