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Efecto dominó en el receptor de los linfocitos T: agruparse para cooperar

Los linfocitos T desempeñan un papel clave en la regulación de la respuesta inmunitaria contra virus, bacterias y tumores. Reconocen substancias extrañas denominadas antígenos a través de un receptor que tiene escasos recursos como molécula aislada, pero que ha evolucionado para agruparse y cooperar para dar una respuesta eficaz.
Por Balbino Alarcón Laboratorio de Transmisíón de Señales por el TCR. Centro de Biología Molecular Severo Ochoa de Madrid balarcon@cbm.uam.es
DOI: http://dx.doi.org/10.18567/sebbmdiv_ANC.2010.03.1

Existe un dogma en los procesos de interacciones entre proteínas así como en las interacciones entre enzimas y sus ligandos que obedece a leyes termodinámicas y que consiste en que la afinidad de la interacción mide la especificidad de la misma. Es decir, cuanto más fuertemente se unen proteína y su ligando, más difícilmente podrá ser cubierto su sitio activo por un ligando no específico.

Los linfocitos T reconocen a los antígenos en la forma de pequeños péptidos anclados en una cavidad que tienen las moléculas del complejo principal de histocompatibilidad (MHC en inglés). Estos complejos péptido antigénico/MHC (que denominamos pMHC) está presentes en la membrana plasmática de las células reconocidas por los linfocitos T (células presentadoras de antígeno) y constituyen el ligando del receptor para el antígeno de los linfocitos T (TCR). Existe una paradoja en el reconocimiento de pMHC por el TCR. Los linfocitos T muestran una gran especificidad para el antígeno (tiene que ser así, de otra forma habría graves problemas de autoinmunidad) y son además muy sensibles, es decir son capaces de detectar cantidades muy pequeñas de su ligando pMHC específico.

Estas propiedades las ejercen a través de un receptor, el TCR, que tiene una afinidad bastante modesta por su pMHC (entre 10-6 y 10-5 M) (1). ¿Cómo es esto posible?. Una observación clave es que el TCR no se encuentra aislado en la membrana de los linfocitos T, sino formando agrupaciones de distinto tamaño, de hasta 20 moléculas de receptor pegadas unas a otras, en una disposición lineal (2). El TCR parece encontrarse en lo que se han definido como «islas proteícas», que son regiones especiales de la membrana con composición lipídica diferente y vinculadas al citoesqueleto subyacente (3). La formación de estas agrupaciones de TCR podría mejorar las propiedades del mismo en cuanto a la especificidad y sensibilidad a pMHC.

La mejora en especificidad puede producirse porque en el reconocimiento de ligando ya no cuenta la afinidad de la interacción 1:1, es decir una molécula de pMHC con una molécula de TCR sino que lo que cuenta es la afinidad aparente ó avidez. Aunque el ligando pMHC se pueda disociar fácilmente de una molécula de TCR, la proximidad de otras moléculas de TCR favorecería la reasociación del ligando. De este modo, el tiempo que el ligando se encontraría interaccionando con cualesquiera de los TCRs componentes de la agrupación sería mucho mayor que si los TCRs estuvieran aislados.

Pero hay más. Las bacterias responden a gradientes de nutrientes como los aminoácidos, de forma que son capaces de nadar en la dirección que marca la concentración de gradiente, es decir nadan hacia la fuente del nutriente. Para poder hacerlo necesitan un receptor capaz de responder a concentraciones muy diferentes del aminoácido. Debe ser capaz de detectar cantidades muy pequeñas del nutriente y dar una señal cada vez mayor según más y más moléculas de nutriente se unen al receptor. Esto se propuso que podría ocurrir si el receptor existiera en agrupaciones de distinto grado de complejidad (4).

Las agrupaciones más grandes serían responsables de la sensibilidad del receptor a concentraciones muy bajas del nutriente mediante un fenómeno de cooperatividad. Esto es, la unión de una molécula del nutriente a un receptor de la agrupación activaría no sólo a ese receptor sino a todos los demás de la agrupación, aunque no estuvieran unidos a ligando. Nosotros propusimos que la formación de agrupaciones de distinto tamaño por el TCR podría obedecer a una necesidad de cooperación y postulamos que dentro de las agrupaciones, que son lineales, podría operar un efecto dominó: el contacto de un TCR con una molécula de ligando pMHC podría hacer que todas las moléculas de TCR de la agrupación fueran activándose una tras otra (Figura 1) (2, 5). No teníamos sin embargo evidencia de que tal proceso ocurriera. Investigando los mecanismos por los que el TCR transmite al interior de la célula información sobre la unión del ligando pMHC en el exterior, encontramos que el TCR sufre un cambio conformacional que se visualiza por la exposición de una secuencia rica en prolinas en el dominio citoplásmico de una de sus subunidades (6).

Mediante un modelo de dinámica molecular, realizado por Antonio Morreale, de la Unidad de Bioinformática del CBMSO, llegamos a la conclusión de que una cisteína en la parte exterior de esta subunidad del TCR era importante en la transmisión del cambio conformacional. Efectivamente, mutamos esta cisteína y la transmisión del cambio conformacional tras la unión de pMHC quedó abolida. Sin embargo, lo más interesante fue que cuando expresamos el mutante de esa cisteína en linfocitos T que ya tenían una versión normal de la misma proteína resultó que la presencia del mutante en sólo una pequeña proporción (3%) de las moléculas del TCR impedía la activación de todas (7). Este efecto dominante-negativo sólo se puede explicar si existiera una cooperatividad entre las agrupaciones de TCRs, de forma que la presencia de una molécula incompetente para activarse envenena al resto de moléculas de la agrupación. Creemos que este fenómeno de cooperatividad en el TCR es el responsable de la gran sensibilidad de los linfocitos T a pequeñas cantidades de antígeno.

La existencia del TCR en agrupaciones (izquierda, foto microscopio electrónico), permite una cooperación entre distintos TCRs, transmitiéndose la señal de activación en un efecto dominó (derecha).
Referencias:
  1. Jacobs, H. Pre-TCR/CD3 and TCR/CD3 complexes: decamers with differential signalling properties? Immunol Today 18, 565-569. (1997).
  2. Schamel, W.W. et al. Coexistence of multivalent and monovalent TCRs explains high sensitivity and wide range of response. J Exp Med 202, 493-503. Epub 2005 Aug 2008. (2005).
  3. Lillemeier, B.F., Pfeiffer, J.R., Surviladze, Z., Wilson, B.S. & Davis, M.M. Plasma membrane-associated proteins are clustered into islands attached to the cytoskeleton. Proc Natl Acad Sci U S A. 103, 18992-18997. Epub 12006 Dec 18994. (2006).
  4. Bray, D., Levin, M.D. & Morton-Firth, C.J. Receptor clustering as a cellular mechanism to control sensitivity [see comments]. Nature 393, 85-88 (1998).
  5. Schamel, W.W., Risueno, R.M., Minguet, S., Ortiz, A.R. & Alarcon, B. A conformation- and avidity-based proofreading mechanism for the TCR-CD3 complex. Trends Immunol. 27, 176-182. Epub 2006 Mar 2009. (2006).
  6. Gil, D., Schamel, W.W., Montoya, M., Sanchez-Madrid, F. & Alarcon, B. Recruitment of Nck by CD3 epsilon reveals a ligand-induced conformational change essential for T cell receptor signaling and synapse formation. Cell 109, 901-912. (2002).
  7. Martinez-Martin, N. et al. Cooperativity between T cell receptor complexes revealed by conformational mutants of CD3epsilon. Sci Signal. 2, ra43. (2009).
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Entrevista a Balbino Alarcón

P.- ¿Cuándo surgió su vocación científica?

R.- Desde muy pequeño, desde antes de que los Reyes me trajeran el QuimiCefa. Estaba fascinado por la química y su poder de cambiar cosas. Hacía mezclas: azúcar, extractos de plantas (hojas machacadas), algo de azul para la ropa… Quería obtener un insecticida con el que combatir las numerosas hormigas que invadían nuestra casa. Más tarde vino el interés por las enfermedades. Había frases lapidarias sobre algún vecino que había muerto, del tipo «se la vuelto la sangre agua…», que te removían las entrañas. Supongo que de ambas preocupaciones surgió mi interés por la ciencia en general y por la bioquímica y biomedicina en particular. 

P.- ¿Cuáles son desde su punto de vista las características que definen a un buen investigador? ¿Qué consejo daría a los que ahora inician su carrera científica?

R.- Desde mi punto de vista son fundamentales la intuición y la persistencia. La mayor parte de los descubrimientos se hacen de forma casual y no como resultado de un plan establecido. Hay que estar preparados para ver aquellos resultados que no se pueden explicar con las teorías existentes, estar dispuestos a formular hipótesis alternativas y a diseñar experimentos que las respalden o las refuten. El proceso es largo y frustrante en el 90% del trabajo, pero puede rendir frutos interesantes. A los que se están planteando iniciar una carrera científica les diría que primero se planteen si realmente les gusta ésto. Esta es una carrera vocacional, de fondo. Compensa si te gusta lo que haces, si no es mejor dedicarse a otra cosa, seguro que da más dinero y menos sinsabores. Ahora, si te gusta, es el mejor de los trabajos porque muy poca gente tiene la oportunidad de poder explorar el límite de lo conocido. La ciencia es hoy en día lo que el mundo a los exploradores de siglos pasados.

P.- ¿Podría describirnos brevemente en qué consiste su línea de investigación actual y cuál es su transcendencia?

R.- Los linfocitos T juegan un papel fundamental en la regulación de la respuesta inmunitaria tanto innata como adaptativa. Estas células reconocen como extrañas substancias (antígenos) a través de un receptor preparado para reconocer cada uno de los antígenos posibles y que se denomina TCR (de sus siglas en inglés). El TCR es por lo tanto fundamental en el reconocimiento y eliminación de antígenos nocivos procedentes de virus, bacterias, hongos y parásitos, como en la respuesta alérgicas contra antígenos no nocivos (por ejemplo pólenes) y en las enfermedades autoinmunes, donde responde a moléculas propias que son vistas como antígenos por los linfocitos T. Nuestra línea de investigación se ha basado tradicionalmente en el estudio de cuáles son los mecanismos intramoleculares de transmisión se señales de activación por el TCR y cuáles son las proteínas intracelulares que se unen al TCR y transmiten esas señales. Nuestras investigaciones nos han llevado recientemente al descubrimiento de que el oncogen TC21 de la familia de Ras se asocia directamente al TCR y ésto a su vez nos ha llevado a dividir nuestro interés entre el estudio del TCR y el papel de la interacción TCR-TC21 en la función de los linfocitos T y, ya fuera del ámbito de la inmunología, en el estudio mismo de TC21 en cuanto a su relevancia en cáncer.

P.- ¿Cuál es el avance científico que más le ha impresionado?

R.- Hay muchos. Cualquier trabajo está basado en todos los anteriores. Me maravillan aquellos modelos que se formularon en un tiempo cuando la capacidad tecnológica no estaba tan desarrollada. La tecnología es importantísima en el desarrollo de la ciencia, pero me quedo con los científicos capaces de hacer propuestas más allá de lo técnicamente obvio. Me apasiona el modelo del operón de Jacob y Monod y, más cerca de mi área de experiencia, la propuesta de reconocimiento de «lo propio modificado» como base del reconocimiento de los antígenos por parte de los linfocitos T por parte de Zinkernagel y Doherty, bien antes de que se pudiera determinar por cristalografía de rayos X que existen unas moléculas propias (el MHC) que tienen una cavidad donde encaja un péptido derivado del antígeno y que la modifica.

P.- ¿Cuál es su opinión sobre cómo está articulada la carrera científica en España?

R.- Es un desastre. Es difícil intentar mantener la ilusión de los que trabajan contigo cuando nunca se tiene una idea de que es lo que puede pasar más allá de 3 ó 5 años. Estamos inmersos en un sistema funcionarial donde el científico que no saca una oposición no tiene nada, mientras que el científico que ya tiene una oposición puede fácilmente perder las ganas porque el hacer funcionar su proyecto y su laboratorio le aporta quebraderos de cabeza. El sistema por un lado desmotiva a los jóvenes a los que no se les da una idea clara de los pasos que tienen que seguir y de las alternativas existentes en caso de fracaso. Por otro, desmotiva a los consolidados porque no nos incentiva para luchar más. Por ahora, después de hacer la tesis, una o dos estancias postdoctorales en España y fuera de España, tener un contrato postdoctoral tipo Ramón y Cajal, si no has sacado una oposición a Científico Titular en el CSIC, no tienes nada. En algunas universidades sí que están dando contratos indefinidos a investigadores que han acabado su contrato Ramón y Cajal, pero no sé cómo de extendido es el fenómeno. Creo que no todos los investigadores tienen porqué convertirse en líderes de grupo para poder tener un trabajo estable. Hay investigadores perfectamente válidos, que hacen un gran trabajo con sus propias manos y que tienen buenos conocimientos y buenas ideas, pero que no necesariamente sirven para liderar un grupo de investigación. Quizás sería mejor tener un sistema progresivo en la carrera científica, siempre basado en el mérito, donde existan apeaderos en distintos niveles y dónde una posición funcionarial ó equivalente, sólo se alcance a una edad muy madura. El salario debería ir también muy ligado al mérito, más que a la antigüedad.

P.- ¿Qué camino queda por recorrer en Ciencia e Innovación en nuestro país?

R.- Creo que en investigación básica hemos conseguido un buen nivel que debemos potenciar dentro de las posibilidades de los presupuestos. Estamos en un país periférico, alejado de los centros de investigación y editoriales que marcan tendencia, en Estados Unidos sobre todo. No obstante, estamos haciendo un buen papel, si no con ganadores de Tours, sí dentro del pelotón. La gran asignatura pendiente es sin embargo la investigación privada. En otros países, la industria absorbe a la mayor parte de los investigadores. La debilidad de nuestro tejido industrial hace que la salida a la industria farmaceútica o biotecnológica sea muy limitada. No sé cómo se puede solucionar ésto, si no es a base de convencer a nuestros inversores de que deben arriesgar en estos sectores, que son prioritarios para nuestro bienestar futuro.

Perfil de Balbino Alarcón

Balbino Alarcón (Almería 1960) es Profesor de Investigación del CSIC (Consejo Superior de Investigaciones Científicas) en el Centro de Biología Molecular Severo Ochoa de Madrid, donde dirige el laboratorio de «Transmisión de señales por el TCR», desde 1992.

Licenciado en Bioquímica por la Universidad Autónoma de Madrid (1982) con Premio Extraordinario y doctorado en Biología en 1985 también por la misma universidad. Hizo una estancia postdoctoral entre 1985 y 1990 en el laboratorio del Dr. Cox Terhorst del Dana-Farber Cancer Institute (Harvard University) de Boston, Estados Unidos, y desde 1990 está establecido en el Centro de Biología Molecular Severo Ochoa. Su tema de investigación se ha centrado desde entonces en la dilucidación de los mecanismos más tempranos de transmisión de señales por parte del receptor para el antígeno de los linfocitos T (TCR) y en la identificación de moléculas efectoras directas que puedan explicar la gran variedad de posibles respuestas dada por los linfocitos T a ligandos (antígenos) ligeramente distintos. Su área de trabajo es por lo tanto la inmunología molecular dentro de las áreas más amplias de la transmisión de señales y la biología celular y molecular. Como contribuciones más importantes se pueden resaltar un modelo de organización del TCR, un modelo de inicio de la transmisión de señales y la identificación de importantes efectores directos del TCR en la activación de linfocitos T y en su transformación en linfomas, con repercusiones en procesos de autoinmunidad y cáncer. Es miembro de EMBO desde el 2000 y ha recibido los premios Hoechst Marion Roussel en 1998 y Carmen y Severo Ochoa en 2002.