El sorprendente descubrimiento de una nueva vía gobernada por la proteína de señalización Notch abre la puerta a un mejor desarrollo de fármacos
Por Lindsay Brownell
(BOSTON) – Cada minuto, un galón y medio de sangre pulsa a través de la red de venas y arterias del cuerpo. La fuerza de ese flujo sanguíneo ayuda a mantener sanas las células que recubren los vasos sanguíneos, denominadas células endoteliales; cuando el flujo sanguíneo se interrumpe, como en el caso de una intervención quirúrgica o un accidente cerebrovascular, los vasos comienzan a tener fugas, lo que puede provocar una serie de respuestas inflamatorias que conducen al daño celular y a la enfermedad. Los científicos del Instituto Wyss de la Universidad de Harvard se propusieron resolver el misterio de cómo el flujo sanguíneo mantiene los vasos intactos y, para su sorpresa, descubrieron una vía de señalización celular completamente nueva que constituye un objetivo prometedor para los fármacos destinados a tratar una serie de enfermedades debilitantes.
«Descubrimos que la conocida proteína Notch es la responsable de evitar que los vasos sanguíneos se vuelvan permeables, y lo hace a través de una vía de señalización secundaria que funciona de manera completamente diferente a su conocida vía basada en la transcripción», dice el doctor Chris Chen, miembro asociado de la facultad del Instituto Wyss y director fundador del Centro de Diseño Biológico y profesor distinguido de Ingeniería Biomédica de la Universidad de Boston, que es el autor correspondiente del trabajo. «Esta nueva vía no sólo es emocionante desde el punto de vista de los descubrimientos, sino que podría mejorar algunos de los efectos secundarios de los fármacos oncológicos y cardiovasculares para hacerlos más seguros y eficaces». El estudio se publica hoy en Nature.
Las células endoteliales que recubren los vasos sanguíneos están fuertemente unidas entre sí a través de unas conexiones denominadas uniones de adherencia para formar una barrera que mantiene la sangre dentro del vaso y regula la facilidad con la que otras sustancias pueden entrar y salir de él. Para estudiar esta barrera y determinar por qué la falta de flujo sanguíneo provoca fugas, los investigadores construyeron un modelo de vaso sanguíneo en un chip que consistía en un canal revestido con una capa de células endoteliales humanas rodeadas de matriz extracelular dentro de un dispositivo de microfluidos, lo que les permitió simular y controlar fácilmente el flujo de sangre a través de un vaso y evaluar las respuestas de las células.
Las células endoteliales que experimentaron flujo sanguíneo mostraron una mayor actividad de la proteína transmembrana Notch1, mientras que las células expuestas a sangre estática no lo hicieron. Cuando los investigadores añadieron una sustancia química que bloquea la activación de Notch1 impidiendo que su dominio intracelular se desprenda, observaron que el vaso comenzaba a tener fugas, lo que determinaron que estaba causado por la interrupción de las uniones adherentes entre las células endoteliales vecinas y la reorganización de las fibras de actina dentro de cada célula. Esto confirmó que la activación de Notch1 por el flujo sanguíneo es necesaria para la formación y el mantenimiento de la barrera endotelial de los vasos sanguíneos.
Curiosamente, impedir que el dominio intracelular de Notch1 iniciara la transcripción tras el desprendimiento (que es el mecanismo de acción bien establecido de Notch1) no hizo que los vasos tuvieran fugas, lo que implicaba que alguna otra parte de la proteína cuya función no implicaba la transcripción estaba respondiendo al flujo sanguíneo. Esta sospecha se vio reforzada por experimentos in vivo en los que los científicos inyectaron a ratones una sustancia química que bloqueaba Notch1 junto con un colorante azul, y vieron que el colorante se filtraba de los vasos sanguíneos de los ratones tratados a un ritmo mucho más rápido de lo esperado. «La transcripción de un gen en una proteína que luego realiza alguna función dentro de la célula suele tardar unas dos horas, pero nosotros veíamos fugas en 30 minutos, lo que sugiere además que el proceso que controla la permeabilidad de la barrera funciona a través de un mecanismo completamente diferente», dice el doctor Bill Polacheck, Una vez que establecieron que el dominio intracelular no participaba en la regulación de la barrera endotelial, los científicos buscaron la actividad de otras partes de Notch1. Utilizaron CRISPR/Cas-9 para eliminar varias secciones del gen Notch1, y descubrieron que la eliminación de la sección que codifica el dominio intracelular no tenía ningún efecto sobre la permeabilidad, mientras que la eliminación de la pequeña sección del dominio transmembrana (TMD) también provocaba un aumento de las fugas en los vasos en condiciones de flujo. «Es la primera vez que se evalúa la función biológica del TMD de Notch», afirma el doctor Matthew Kutys, miembro visitante del Instituto Wyss y coprimer autor. «Se suponía que era inerte y que desaparecía después de la activación, y la mayoría de los libros de texto y documentos de investigación ni siquiera lo muestran como una parte distinta de los receptores Notch». Mediante pruebas adicionales, descubrieron que cuando Notch1 se activa y su dominio intracelular se libera, su TMD ensambla un complejo en la membrana con las proteínas VE-cadherina, Rac1, LAR y Trio, que colectivamente ensamblan y mantienen las uniones adherentes entre las células y distribuyen las fibras de actina contra la membrana celular para apoyar esas uniones.
«En retrospectiva, tiramos los dados con este proyecto, porque al elegir investigar Notch estábamos entrando en una de las áreas de investigación más concurridas de la biología. Pero nuestro enfoque basado en la ingeniería nos permitió estudiarlo de una manera nueva, sin la influencia o el sesgo de los trabajos anteriores, que creo que es lo que nos hizo tener la mente lo suficientemente abierta como para observar y caracterizar esta nueva e inesperada vía», dice Polacheck. «Saber que Notch1 regula la adhesión celular además de la diferenciación celular también ofrece un nuevo marco para entender la coordinación de procesos celulares complejos, en el sentido de que moléculas únicas como Notch pueden desempeñar múltiples funciones», añade Kutys.
La revelación de que Notch1 cumple diferentes funciones, y saber qué partes de la proteína rigen cada función, permite desarrollar nuevos fármacos que sean más eficaces y menos tóxicos. «Notch es una diana para algunas terapias contra el cáncer, pero se sabe que esos fármacos causan edema y otros problemas. Ahora estamos trabajando activamente en la separación de las dos vías de Notch para poder crear fármacos que se dirijan únicamente al dominio intracelular, evitando el TMD y preservando así la integridad de los vasos sanguíneos», dice la doctora Karen Hirschi, profesora de Medicina y Genética de la Facultad de Medicina de Yale, que colaboró en el estudio. Saber que Notch gobierna la permeabilidad de los vasos sanguíneos lo convierte en un candidato a nuevos fármacos para tratar las enfermedades cardiovasculares, y el equipo también está investigando el TMD como un potencial agente terapéutico en sí mismo, ya que los modelos celulares que fueron expuestos a una inflamación que induce fugas mostraron una reducción dramática de las fugas cuando fueron diseñados para expresar el TMD.
«Las colaboraciones que el Instituto Wyss posibilita y fomenta entre campos dispares, como la ingeniería mecánica y la biología molecular, fomentan nuevos enfoques de viejos problemas que pueden dar lugar a resultados que realmente cambian los paradigmas», afirma el doctor Donald Ingber, Ph.D., director fundador del Instituto Wyss y catedrático Judah Folkman de Biología Vascular de la Facultad de Medicina de Harvard y del Programa de Biología Vascular del Hospital Infantil de Boston, que también es catedrático de Bioingeniería de la Escuela Paulson de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS) de Harvard. «Este estudio es un excelente ejemplo de los beneficios que este tipo de colaboraciones pueden aportar a la ciencia y a la sociedad».
Entre los autores adicionales del estudio se encuentran Jinling Yang, doctora, becaria postdoctoral del Instituto Wyss; Jeroen Eyckmans, doctor, antiguo becario postdoctoral del Wyss y actual jefe de grupo en la Universidad de Boston; Yinyu Wu, estudiante de posgrado en el Departamento de Genética de Yale; y Hema Vasavada, director de laboratorio en la Facultad de Medicina de Yale.
Esta investigación ha contado con el apoyo de subvenciones de los Institutos Nacionales de la Salud (NIH), la Fundación Nacional de la Ciencia (NSF), un premio Ruth L. Kirchstein National Research Service Award, la Fundación Hartwell y el Instituto Wyss de la Universidad de Harvard.
- PUBLICACIÓN – Nature: Un complejo Notch no canónico regula las uniones adherentes y la función de barrera vascular