Premio Nobel de Medicina 2002: Brenner, Horvitz, Sulston y el gusano Caenorhabditis elegans

El Premio Nobel de Fisiología y Medicina otorgado en el 2002 tiene como importante actor un diminuto gusano. El Nobel fue entregado conjuntamente a Sydney Brenner, John Sulston y Bob Horvitz por sus estudios sobre el desarrollo y la muerte celular programada en el nematode Caenorhabditis elegans. Es interesante conocer cómo se desarrolló este sistema experimental que en la actualidad es un modelo que se utiliza para investigar moléculas de relevancia médica.
Todo comenzó en la década del 60, cuando Brenner cambió el enfoque de sus estudios anteriores. Para entonces, había contribuido nada menos que a descifrar el código genético y a descubrir el ARN mensajero. Decidió que, más que estudiar la función de las moléculas per se, había llegado el momento de empezar a investigar cómo los genes especifican un organismo.
En particular, a Brenner le intrigaba estudiar cómo se construye y se conecta el sistema nervioso. Para explorar estos temas con las herramientas de la genética que había adquirido en sus estudios sobre bacterias, debió encontrar un organismo de la complejidad necesaria pero suficientemente simple y fácil de manejar en un laboratorio. Luego de analizar muestras de especies provenientes de distintas partes del mundo, eligió un gusano microscópico, el nematode C. elegans . El adulto tiene sólo un milímetro de largo y 959 células somáticas. Existen gusanos machos y hermafroditas, tienen un ciclo de vida de 3 días, y son fáciles de mutagenizar, características ideales para estudios genéticos. Además, es transparente, por lo que puede examinarse la historia de cada una de sus células en el animal vivo.
Primero Sulston (1969) y luego Horvitz (1974) se unieron al laboratorio de Brenner en Cambridge, Inglaterra, para desarrollar el naciente modelo experimental del gusano. Sulston comenzó, luego ayudado por Horvitz, la laboriosa tarea de seguir cada una de las células durante el desarrollo post-embrionario, y así construyeron un mapa describiendo cuándo ocurre cada división celular y además cómo migran las células desde su lugar de nacimiento a su lugar definitivo en el animal adulto¹. Más tarde, Sulston logró seguir todas las células durante la etapa embrionaria², completando el único mapa para un animal multicelular que describe el destino de cada una de sus células. Estos estudios revelaron que el programa de división celular y diferenciación es esencialmente idéntico para cada gusano. Durante el desarrollo, se generan 1090 células, de las cuales 131 mueren en forma programada.
La muerte invariable de las células durante el desarrollo del gusano, llevó a Horvitz a pensar que la muerte celular era una decisión más que puede tomar una célula. Así como una célula puede tomar la decisión de transformarse en una neurona o en una célula muscular, también puede adoptar la decisión de morirse. Esto ocurre porque algunas células se necesitan sólo durante ciertos períodos del desarrollo y luego son prescindibles. También, por ejemplo, durante el desarrollo del cerebro de los mamíferos, miles de neuronas que no logran conectarse correctamente, mueren programadamente. Horvitz razonó que así como hay genes que controlan la diferenciación, deberían existir genes que controlan la muerte celular programada, proceso conocido en mamíferos como apoptosis. Usando genética clásica identificó y caracterizó las mutaciones que afectan el patrón y el proceso de la muerte celular^3,4. Horvitz y sus estudiantes analizaron estos genes en detalle, utilizando genética, bioquímica, biología molecular y biología del desarrollo⁵. A partir de este trabajo, se confirmó que muchos de los genes y mecanismos que funcionan en la muerte celular programada en C. elegans también funcionan en mamíferos, incluyendo el hombre^6,7. De esta forma, los resultados del estudio de gusanos microscópicos están siendo utilizados para entender procesos complejos, como por ejemplo el cáncer y enfermedades neurodegenerativas que pueden ser, respectivamente, el resultado de la falta o del exceso de muerte celular programada.

El proceso de la muerte celular programada en C. elegans

El proceso de muerte celular programada en C. elegans comprende los siguientes tres pasos: la decisión de una célula a morirse, el proceso de la muerte, y la remoción y degradación de la célula.
Decisión de muerte
Dos genes, ces-1 y ces-2 (ces, cell death specification o especificación de la muerte celular), parecen regular la muerte en algunas células⁸. Específicamente en células que luego de la última división generan una neurona serotonérgica y una célula que muere. Mutaciones en ces-1 y ces-2 resultan en la supervivencia de estas células. Mediante el análisis genético se dedujo que ces-1 previene la muerte de estas células y que ces-2 bloquea la acción de ces-1. Ces-2 codifica un factor de trascripción de la familia PAR (proline and acid-rich o que contiene prolina y es rica en aminoácidos acídicos) similar a la proto-oncoproteína humana HLF (hepatic leukemia factor, o factor de leucemia hepático). Versiones oncogénicas de HLF inhiben la muerte celular en células de mamíferos, sugiriendo que ciertas alteraciones en el programa de muerte celular pueden resultar en cáncer. Parecería entonces que distintos genes determinan la muerte en distintas células.
Proceso de muerte
Los productos de otros cuatro genes participan en el proceso de la muerte en todas las células. Estos genes sólo actúan en las células que van a morirse y no en las vecinas, por lo que tal vez sería más apropiado llamarlo suicidio celular. Egl-1 (egl, egg-laying abnormal o puesta de huevos anormal), ced-3 y ced-4 (ced, cell death abnormal o muerte celular anormal) promueven la muerte celular, mientras que ced-9 protege a la célula de la muerte^{4, 9, 10}.
Mutaciones que causan una pérdida total de la actividad de las proteínas codificadas por egl-1, ced-3 y ced-4, los genes asesinos, tienen como consecuencia la supervivencia de las 131 células que normalmente mueren programadamente en C. elegans. El producto de egl-1 es una proteína de sólo 91 aminoácidos que contiene una región similar a una porción de la proteína CED-9 mediante la cual interactúan para formar dímeros.
Cuando el gen ced-3 fue clonado, no había en las bases de datos ninguna proteína de secuencia similar, hasta que una compañía farmacéutica, interesada en el proceso de inflamación, encontró una proteasa humana capaz de procesar la interleuquina-1 beta (llamada ICE) a su forma activa. Luego se demostró que CED-3 también es una proteasa que actúa de manera similar a ICE. A raíz de este descubrimiento, se encontró una familia de proteasas similares en mamíferos, llamadas caspasas, que también están involucradas en el proceso de muerte celular programada.
La secuencia de ced-4 tampoco reveló la existencia de proteínas similares en los mamíferos, hasta que Apaf-1 fue identificada en un sistema in vitro para estudiar apoptosis. Su rol en apoptosis fue confirmado a través de ratones deficientes en Apaf-1, los cuales mueren durante el desarrollo embrionario o en el período perinatal. Los ratones sufren una masiva hiperplasia neuronal y desarrollan masas celulares ectópicas. Apaf-1 es una proteína que activa las caspasas. De manera similar CED-4 promueve la proteólisis de CED-3 generando su forma activa.
CED-9 funciona de manera similar al producto del gen humano Bcl-2 (B cell lymphoma o linfoma de células B). Mutaciones en Bcl-2 que causan elevados niveles de actividad resultan en la supervivencia y proliferación descontrolada de células B que conducen a la formación de un linfoma. Paralelamente, mutaciones que resultan en una excesiva actividad de ced-9 causan la supervivencia de células que normalmente mueren. Además, mutaciones que reducen el nivel de actividad de ced-9 resultan en la muerte de células que normalmente no mueren. Estas observaciones sugieren que la función normal de ced-9 es proteger a las células que no deben morir.
Para establecer el orden de acción de estos genes se utilizaron varios métodos. La muerte excesiva de células que ocurre al inactivar ced-9, sigue ocurriendo en una doble mutante con egl-1, pero no ocurre en una doble mutante con ced-3 o ced-4, por lo que se puede proponer un modelo en que egl-1 previene la acción de ced-9, que a su vez previene la acción de ced-3 y ced-4. ced-4 parece actuar antes de ced-3 puesto que cantidades elevadas de la proteína CED-3 causan la muerte de células sin importar la presencia de CED-4, mientras que la muerte de células en gusanos con cantidades elevadas de CED-4 requiere la presencia de CED-3. Además, las proteínas EGL-1 y CED-9 pueden formar un complejo, al igual que CED-9 y CED-4.
Remoción y degradación
Las células que mueren son removidas del organismo por células que las fagocitan. En C. elegans, por lo menos 7 genes, que tienen su contraparte en mamíferos, controlan este proceso. Los 7 genes pueden agruparse en dos clases parcialmente redundantes, una compuesta por ced-1, ced-6 y ced-7 y la otra por ced-2, ced-5, ced-10 y ced-12 ^3,11. Estos genes participan en dos rutas de transducción de señales, una de las cuales controla las extensiones que la célula fagocítica usa para envolver a la célula que está muriendo.
Estudios recientes en el laboratorio de Horvitz y otros, demostraron que el proceso de remoción no es simplemente la etapa final de la muerte celular programada, ya que en esta etapa las células todavía están a tiempo de evitar la muerte. Es decir, la célula fagocítica cumple un rol activo al aumentar las probabilidades de que el proceso de muerte celular sea irreversible.
La similitud en secuencia y modo de acción entre algunos de los genes que actúan en la muerte celular programada en C. elegans y los genes involucrados en algunos tipos de cáncer en el hombre, relacionan estos dos procesos estrechamente. Es cuestión de tiempo que los conocimientos adquiridos se traduzcan en tratamientos anticáncer.
El premio Nobel de Medicina de este año trasciende la serie de experimentos que delinearon un proceso celular, y premia la visión transformadora de Brenner, la perseverancia de Sulston y la disciplina e ingenio de Horvitz para caracterizar un modelo experimental que en la actualidad es utilizado por miles de científicos para investigar áreas tan diversas como el desarrollo embrionario, la neurobiología y la biología del comportamiento.

Ezequiel Alvarez Saavedra

Department of Biology
Massachusetts Institute of Technology
Boston MA, USA
eas@mit.edu

1. Conradt B, Horvitz HR. The Caenorhabditis elegans protein EGL-1 is required for programmed cell death and interacts with the Bcl-2-like protein CED-9. Cell 1998; 93: 519-29.
2. Ellis HM, Horvitz HR. Genetic control of programmed cell death in the nematode Caenorhabditis elegans. Cell 1986;44: 817-29.
3. Ellis RE, Horvitz HR. Two Caenorhabditis elegans genes control the programmed deaths of specific cells in the pharynx. Development 1991;112: 591-603.
4. Ellis RE, Jacobson DM, Horvitz HR. Genes required for the engulfment of cell corpses during programmed cell death in Caenorhabditis elegans. Genetics 1991; 129: 79-94.
5. Hedgecock EM, Sulston JE, Thomson JN. Muta-        tions affecting programmed cell deaths in the nema-    tode Caenorhabditis elegans. Science 1983; 220: 1277-9.
6. Hengartner MO, Ellis RE, Horvitz HR. Caenorhabditis elegans gene ced-9 protects cells from programmed cell death. Nature 1992; 356: 494-9.
7. Hengartner MO, Horvitz HR. Caenorhabditis elegans cell survival gene ced-9 encodes a functional homolog of the mammalian proto-oncogene bcl-2. Cell 1994; 76: 665-76.
8. Metzstein MM, Stanfield GM, Horvitz HR. Genetics of programmed cell death in Caenorhabditis elegans: past, present and future. Trends Genet 1998; 14: 410-6.
9. Sulston JE, Horvitz HR. Post-embryonic cell lineages of the nematode Caenorhabditis elegans. Dev Biol 1977; 56: 110-56.
10. Sulston JE, Schierenberg E, White JG, Thomson JN. The embryonic cell lineage of the nematode Caenorhabditis elegans. Dev Biol 1983; 100: 64-119.
11. Vaux DL, Weissman IL, Kim SK. Prevention of program-med cell death in Caenorhabditis elegans by human bcl-2. Science 1992; 258: 1955-7.