MADRID, 15 Sep. (EUROPA PRESS) -
Investigadores del Laboratorio Europeo de Biología Molecular (EMBL) y de la Universidad de Ginebra (Suiza) arrojan luz sobre la activación molecular de la MAP quinasa p38alfa, el "interruptor" final que desencadena la respuesta inflamatoria, la temida 'tormenta de citoquinas', cascadas inflamatorias que pueden provocar enfermedades graves y la muerte, como se ha puesto de manifiesto durante la pandemia COVID-19, según publican en la revista 'Science'.
La exposición constante de las células a agentes estresantes, como los patógenos, puede alterar el funcionamiento normal de un organismo. Para combatir el estrés, las células han desarrollado varios mecanismos de defensa, entre ellos la respuesta inflamatoria.
Aunque la inflamación es necesaria, en exceso puede perjudicar el funcionamiento de células y órganos. Este es el caso de las 'tormentas de citoquinas'.
Los investigadores han obtenido ahora la primera estructura de p38alfa activada por otra proteína cinasa reguladora, MKK6, lo que abre nuevas vías para desarrollar fármacos que detengan las tormentas de citocinas.
Matthew Bowler, investigador del EMBL, lleva más de una década estudiando las quinasas. Este grupo de enzimas desempeña un papel importante en la regulación de procesos complejos en la célula al actuar como un "interruptor" para transmitir señales y activar la expresión génica. Lo hacen mediante la fosforilación, es decir, añadiendo un grupo químico, el fosfato, a otras moléculas para modular su función.
El trabajo de Bowler se centra sobre todo en las MAP quinasas, protagonistas de la respuesta inflamatoria. La inflamación se pone en marcha a través de una serie de quinasas que se activan unas a otras en una cascada de reacciones, siendo la última quinasa de la serie la responsable de activar la transcripción genética necesaria para la inflamación. Este proceso libera citocinas, moléculas de señalización proinflamatorias que, en caso de activación excesiva, pueden provocar tormentas de citocinas.
Esta reacción en cadena de las cinasas está bien regulada y se asemeja a un circuito lógico: la respuesta inflamatoria requiere que se enciendan botones específicos que, en última instancia, activan p38alfa, el punto de encuentro donde convergen todas las señales y el último interruptor del proceso inflamatorio.
Dado que la reacción en cadena de las cinasas puede proceder de distintas "ramas" del circuito lógico, este último interruptor es una diana farmacológica especialmente relevante. La respuesta inflamatoria está regulada por p38alfa y se activa en gran medida durante una tormenta de citocinas. Inactivarlo podría evitar que se produjera la inflamación, en lugar de intentar tratarla cuando ya está en marcha.
Por ello, las proteínas quinasas, entre ellas la p38alfa, han sido objeto de numerosos estudios. Hace 30 años se resolvió la estructura de la primera proteína cinasa, lo que marcó un hito en este campo, y a ella han seguido muchas más estructuras, de las que más de 7.000 están disponibles en el Banco de Datos de Proteínas.
Sin embargo, aún faltan partes importantes del rompecabezas. "Los biólogos estructurales han obtenido información detallada sobre la estructura y las funciones de las proteínas quinasas, pero casi siempre de forma aislada. Así que no sabemos realmente cómo se activan estas enzimas a lo largo de la reacción en cadena", explica Bowler.
Sin esta información esencial sobre cómo se desencadena la activación, los fármacos se han dirigido sobre todo al sitio de unión a nucleótidos de las quinasas, un bolsillo común y bien conocido presente en todas las quinasas, donde se produce la transferencia de fosfatos.
La falta de especificidad de los fármacos, debida a la existencia de un sitio de unión común a todas las quinasas, significa que un fármaco diseñado para detener la señalización de una quinasa también podría detener la de otras. Esto supone un efecto secundario problemático, teniendo en cuenta el papel esencial de las quinasas como reguladores clave en los procesos celulares.
"Se han diseñado muchas moléculas contra la p38alfa, especialmente su sitio de unión a nucleótidos, pero ninguna ha superado los ensayos clínicos debido a esta falta de especificidad", añade Bowler.
Por ello, Bowler y una antigua estudiante de doctorado de su laboratorio, Erika Pellegrini, llevan desde 2009 investigando las interacciones entre p38alfa y MKK6, la quinasa que la activa. Pero estudiar la interacción entre quinasas resulta extremadamente complejo.
"Estas enzimas son moléculas muy dinámicas; transmiten señales importantes y necesitan actuar con rapidez. En el caso de la p38alfa, tiene que ir al núcleo y activar muchas otras proteínas diferentes", explica Bowler.
Los investigadores se vieron obstaculizados por el hecho de que las interacciones del complejo MKK6-p38alfa no pueden determinarse mediante cristalografía macromolecular, una técnica de biología estructural empleada a menudo para investigar proteínas pero que resulta especialmente difícil de aplicar en el caso de proteínas tan dinámicas.
Los recientes avances en criomicroscopía electrónica (crioEM), sobre todo durante la última década, suscitaron nuevas esperanzas. En 2016, Bowler y la nueva estudiante de doctorado y primera autora del artículo, Pauline Juyoux, decidieron pasarse a esta técnica, a pesar de que el complejo proteico se consideraba entonces demasiado pequeño para el análisis por crio-EM.
Utilizando crio-EM y técnicas complementarias, como la cristalografía de rayos X y la dispersión de rayos X de ángulo pequeño (SAXS) en la Instalación Europea de Radiación Sincrotrón y la Fuente de Luz Diamond, el equipo logró obtener la estructura 3D del complejo e identificar un sitio de acoplamiento previamente desconocido donde interactúan las dos enzimas, información crucial para comprender cómo se activa p38alfa.
"Podría ser una diana interesante para inhibidores que bloqueen esta interacción específica y, en consecuencia, la señal que desencadena la respuesta inflamatoria", afirma Juyoux.
Una colaboración con el laboratorio Gervasio de la Universidad de Ginebra, que utiliza simulaciones de dinámica molecular, ayudó a Bowler, Pellegrini y Juyoux a comprender mejor cómo interactúan las dos quinasas.
"Demostraron que el modelo que habíamos generado era compatible con la actividad enzimática y que el sitio de fosforilación estaba a la distancia correcta del sitio activo --explica Juyoux--. También clasificaron los distintos tipos de conformaciones del complejo para mostrar cómo se ensamblan".
Además, comparando estas simulaciones con los datos SAXS pudieron modelizar cómo interactúan las dos proteínas antes de la catálisis. "Lo bueno de combinar simulaciones de última generación con datos SAXS y crio-EM mediante enfoques estadísticos avanzados es que podemos 'ver' el baile de las dos quinasas acercándose la una a la otra, sabiendo que lo que vemos en el ordenador está totalmente respaldado por todos los datos experimentales disponibles", explica Francesco Gervasio.
Estos resultados proporcionan una diana farmacológica alternativa que explorar y también abren la puerta al estudio de procesos similares en otras dos familias de MAP quinasas: las quinasas ERK (que intervienen en el cáncer) y las quinasas JNK (también implicadas en la inflamación, especialmente en la enfermedad de Alzheimer).
"Las quinasas son muy similares entre sí en términos de secuencia y estructura, pero no sabemos cómo y por qué responden o envían una señal específica --apunta Juyoux, cuyo actual proyecto de investigación como becario postdoctoral en el Institut de Biologie Structurale de Grenoble se centra en las quinasas JNK--. Comparar estas diferentes familias de quinasas podría ayudar a explicar la especificidad de las interacciones y abrir el camino a nuevos enfoques terapéuticos".
