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El factor de crecimiento nervioso seis décadas después

El 30 de diciembre de 2012 falleció Rita Levi-Montalcini con 103 años de edad. Rita fue descubridora del primer factor de crecimiento conocido, el NGF, por lo que fue laureada con el Premio Nobel de Medicina en 1986. Desde su descubrimiento, este factor ha sido fuente constante de sorpresas.
Por José María Frade Instituto Cajal, CSIC frade@cajal.csic.es
DOI: http://dx.doi.org/10.18567/sebbmdiv_ANC.2013.03.2

Especial Rita Levi-Montalcini.

El factor de crecimiento nervioso (NGF, del inglés nerve growth factor) fue descubierto y caracterizado a principios de los años cincuenta del siglo pasado por Rita Levi-Montalcini (1), neurocientífica laureada con el Premio Nobel de Medicina en 1986 por dicho descubrimiento. Rita ha fallecido recientemente a la edad de 103 años, trabajando incansablemente como el primer día (2). El presente artículo es un homenaje a su memoria como precursora de un área de investigación crucial para la Neurobiología.
Rita Levi-Montalcini trabajó inicialmente en Italia, su país natal, tratando de entender el mecanismo que ajusta el número de neuronas sensoriales al tamaño del órgano inervado durante el desarrollo embrionario. La idea prevalente a principios del siglo XX era que los tejidos diana «instruían» de algún modo a los ganglios sensoriales para que se generase el número apropiado de neuronas. Rita mostró que esta visión era errónea al demostrar que las neuronas se producen en número mayor del necesario y su número se ajusta por eliminación de las sobrantes mediante lo que se ha denominado muerte neuronal programada. Rita pudo demostrar posteriormente la existencia de un factor trófico en cantidad limitante que permite la supervivencia de solo aquellas neuronas sensoriales que son necesarias. Este factor fue denominado NGF.

Un avance significativo en el estudio del NGF fue la identificación de dos fuentes naturales de éste: las glándulas salivales del ratón y el veneno de serpiente. La facilidad de obtención de este factor (3) permitió la identificación por distintos laboratorios de sus receptores de membrana (4). Para ello se empleó NGF marcado radioactivamente con 125I, lo cual permitió caracterizar bioquímicamente los distintos tipos de receptores que existían. Los datos obtenidos demostraron que las neuronas sensoriales y simpáticas poseen un número limitado de receptores de alta afinidad y gran cantidad de receptores de baja afinidad, de los cuales se ignoraba su identidad molecular. El primer receptor de NGF en ser caracterizado molecularmente, a mediados de los años 80, fue denominado inicialmente NGFR (del inglés nerve growth factor receptor). Se trataba de una molécula de membrana de 75 kDa, cuyo ADNc se identificó en 1986 (5). Pronto se vio que este receptor carecía de dominios catalíticos, por lo que era una incógnita el mecanismo por el que ejercía sus efectos en el interior de las células. La demostración posterior de que este receptor podía interaccionar con todas las neurotrofinas complicó aún más su significado biológico. Su capacidad receptora múltiple hizo que fuese rebautizado como receptor p75 común de las neurotrofinas (p75NTR, del inglés p75 neurotrophin receptor). El descubrimiento a principios de los años 90 de que el receptor tirosina quinasa TrkA era el receptor neurotrófico específico de NGF (6), junto con la ausencia de mecanismos conocidos para la transducción de la señal de p75NTR, se tradujeron en la idea de que p75NTR colaboraba con TrkA para generar el receptor de alta afinidad caracterizado años atrás. Por su parte, 75NTR sería el receptor de baja afinidad. Las distintas funciones conocidas en ese momento para el NGF, que incluían la superviviencia y diferenciación neuronal y la nocicepción, se vincularon directamente con TrkA, mediadas por las tres vías clásicas de los receptores tirosina quinasas: la activación de Ras, de PI3K/Akt y de PLCγ (ver Figura).

Un cambio copernicano en la visión del NGF fue el descubrimiento a mediados de los años 90 de su capacidad inductora de muerte celular (7). Este concepto fue recibido con gran sorpresa, pues el NGF era conocido como factor neurotrófico desde hacía más de cuarenta años. Se vio que la capacidad apoptótica del NGF estaba mediada por el receptor p75NTR, que en esos años ya era conocido por ser el primer miembro de la familia de «receptores de muerte» (o death receptors) tales como FasR y el receptor de TNFα (TNFR). No obstante, el mecanismo inductor de apoptosis de p75NTR difiere de la ruta clásica de FasR/TNFR pues no forma trímeros ni activa caspasa-8. En este sentido, se ha demostrado que p75NTR induce la ruta de JNK para favorecer la muerte neuronal. Durante los primeros años del presente siglo se demostró que la molécula inductora de apoptosis a través de p75NTR era realmente proNGF (ver figura), la forma inmadura de NGF preponderante en el sistema nervioso. ProNGF, induce apoptosis a través de p75NTR ayudado por el correceptor Sortilina, en tanto que la forma madura de NGF, carente del péptido pro, induce su efecto trófico a través del receptor TrkA, un efecto que es potenciado por el propio p75NTR. 

Otra sorpresa reciente ha sido descubrir que el NGF puede regular el ciclo mitótico tanto en células neurales como no neurales. Este efecto puede ser mediado por TrkA, pero también por p75NTR, cuyo dominio intracelular interacciona con factores de transcripción reguladores del ciclo celular. De hecho, la capacidad de p75NTR para translocar su dominio intracelular al núcleo facilita esta función. La capacidad de proNGF/p75NTR para inducir la duplicación del ADN en neuronas, demostrada recientemente por nuestro laboratorio (8), se traduce en la existencia de poblaciones definidas de neuronas tetraploides en el cerebro normal.

Esquema de las rutas de señalización y los efectos fisiológicos ejercidos por el proNGF y su forma madura, NGF, a través de sus los receptores p75NTR y TrkA. La señalización apoptótica de proNGF requiere la presencia del correceptor Sortilina. p75NTR coopera con TrkA en la señalización neurotrófica de NGF.
Referencias:
  1. https://web2020.sebbm.es/ES/divulgacion-ciencia-para-todos_10/febrero-2012—rita-levi-montalcini-_640
  2. Manca A, Capsoni S, Di Luzio A, Vignone D, Malerba F, Paoletti F, Brandi R, Arisi I, Cattaneo A, Levi-Montalcini R (2012). Nerve growth factor regulates axial rotation during early stages of chick embryo development. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 109: 2009-2014.
  3. Bocchini V, Angeletti PU (1969). The nerve growth factor: purification as a 30,000-molecular-weight protein. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 64: 787-94.
  4. Frade JM (2005) Las neurotrofinas y sus receptores. Mente y Cerebro 14: 10-15.
  5. Chao MV, Bothwell MA, Ross AH, Koprowski H, Lanahan AA, Buck CR, Sehgal A (1986). Gene transfer and molecular cloning of the human NGF receptor. Science 232: 518-521.
  6. Klein R, Jing SQ, Nanduri V, O’Rourke E, Barbacid M (1991). The trk proto-oncogene encodes a receptor for nerve growth factor. Cell 65: 189-197.
  7. Frade JM, Rodríguez-Tébar A, Barde YA (1996). Induction of cell death by endogenous nerve growth factor through its p75 receptor. Nature 383: 166-168.
  8. Morillo SM, Escoll P, de la Hera A, Frade JM (2010). Somatic tetraploidy in specific chick retinal ganglion cells induced by nerve growth factor. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 107: 109-114.
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Entrevista a José María Frade

P.- ¿Cuándo surgió su vocación científica?

R.- Siempre he tenido mucha curiosidad. De pequeño todo me interesaba. Cuando descubrí siendo adolescente que la realidad puede ser entendida objetivamente mediante el Método Científico intuí que debía destinar mi vida a la Ciencia. Siempre he tenido una visión global del conocimiento. En este sentido soy partidario de la «tercera cultura» propuesta por Charles P. Snow, quizá con la idea romántica de emular a aquellos humanistas del Renacimiento que trataban de entender al Hombre y al Universo en su conjunto. En este sentido, mi objetivo vital ha sido siempre entender quién soy Yo y qué hago aquí, cómo explicar mi súbita aparición en el Universo. Decía Ortega que extrañarse es comenzar a entender, y no puedo estar más de acuerdo. Saber quién soy Yo y qué hago aquí me obliga a dar respuesta a mi identidad desde múltiples puntos de vista, que incluyen los planos cosmológico, químico, biológico, evolutivo, embriológico, cognitivo, histórico y cultural. Obviamente, en un momento dado tuve que decantarme por uno sólo de estos aspectos puesto que hoy no es posible ser experto en todas las múltiples facetas del conocimiento. Tras muchas dudas fui centrando mi interés primario en la biología, fascinado por el desarrollo embrionario. Cómo construir una colonia de células especializadas e interrelacionadas entre sí de un modo reproducible a partir de una célula única, dando lugar a un organismo pluricelular, supone responder a una de las preguntas que me había planteado inicialmente. Por ello he centrado mi quehacer científico en tratar de entender el desarrollo del embrión de los vertebrados, y más en concreto el desarrollo de su sistema nervioso. 

P.- ¿Podría resumirnos brevemente su trayectoria profesional?

R.- Mi inicio en Ciencia fue durante los últimos dos años de licenciatura en Biología por la Universidad Complutense de Madrid, a finales de los años ochenta del siglo pasado. Durante ese periodo, trabajé como alumno interno en el Departamento de Genética en el análisis de distintas isoenzimas de gramíneas como marcadores genéticos ligados a loci de interés agronómico. Fue un periodo importante, pues supuso mi primer contacto con un laboratorio, pero tuve claro que dicho trabajo no satisfacía mi interés científico y, al acabar la carrera decidí trasladarme al CSIC para realizar mi tesis doctoral allí. De manera fortuita conocí al que iba a ser mi Director de Tesis, el Dr. Alfredo Rodríguez Tébar, quien me ofreció trabajar con él en el Instituto Cajal en un proyecto de desarrollo embrionario en el Sistema Nervioso. El proyecto de tesis se centraba en el estudio de la implicación de las moléculas de la matriz extracelular en la diferenciación neuronal usando como modelo la retina del embrión del pollo. Un hecho transcendente que sucedió al final de dicho periodo fue verificar con mis propios ojos que una parte sustancial de los precursores neuronales mueren durante el desarrollo temprano de la retina, antes de su completa diferenciación neuronal. Este concepto extendía la idea original de Rita Levi-Montalcini, ya muy bien establecida en esa época, de que muchas neuronas mueren durante el periodo de inervación de sus tejidos diana. La muerte celular programada, por tanto, podía tener lugar también en estadios previos a los descritos por la teoría neurotrófica clásica. ¿Qué células eran las que morían?, ¿cómo lo hacen? y ¿para qué? Con dichas ideas inicié mi periodo postdoctoral en el Instituto Max-Planck de Neurobiología trabajando en el Departamento dirigido por el Prof. Yves A. Barde, conocido mundialmente por ser el descubridor del BDNF, la segunda neurotrofina. Durante dicho periodo pude demostrar que la neurotrofina NGF, en ausencia del receptor neurotrófico TrkA, induce apoptosis en los precursores neuronales de la retina del pollo en desarrollo a través del receptor p75NTR. Tras mi regreso a España continué trabajando en el mecanismo implicado en la inducción de apoptosis por p75NTR en la retina embrionaria, llegando a la conclusión de que depende de la reactivación del ciclo celular en neuronas en proceso de diferenciación. Este trabajo dirigió mi interés a la interacción entre el ciclo celular y la neurogénesis, tratando de entender cómo se regula esta última por la maquinaria del ciclo celular, y más tarde descubriendo que distintas poblaciones neuronales sufren duplicación de su ADN para dar lugar a neuronas tetraploides de gran tamaño, importantes para la función del sistema nervioso. Aquellas neuronas indiferenciadas tetraploides que carecen de soporte trófico local terminan muriendo, explicándose así la causa de la muerte celular programada en los precursores neuronales. Al estudio de la tetraploidización neuronal, asociada con procesos neurodegenerativos, dedico los máximos esfuerzos en la actualidad. 

P.- ¿Cuáles son desde su punto de vista las características que definen a un buen investigador?

R.- Pienso que la curiosidad es la condición primordial que define a un buen investigador. Sobre este substrato, es necesario poseer capacidad para integrar información y ver aquello que otros no vislumbran. Esto último es fundamental para formular hipótesis novedosas que permitan adentrarte en terra ignota, más allá de la frontera del conocimiento. Además, uno debe contar con espíritu crítico con los demás (para no creer a pies juntillas los dogmas existentes) y consigo mismo, lo que conduce necesariamente al rigor en todo planteamiento. La tenacidad es otra virtud importante a tener en cuenta pues ésta permite avanzar lentamente hacia el conocimiento. Se equivoca quien piensa que el quehacer científico es una carrera de velocidad, más bien puede compararse con una carrera de fondo y con obstáculos. Por ello se debe contar con una elevada capacidad de trabajo, sintiendo éste como parte muy importante de tu vida. ¡Cuántas veces sucede que una idea fundamental surge en el momento más insospechado!, y debes estar ahí para madurarla y darle forma. También es importante mantenerse informado de los avances conceptuales y tecnológicos que permiten elaborar nuevos abordajes experimentales. Es importante conocer otros campos de la ciencia, obviamente sin la profundidad que puedan poseer los especialistas, pero que te sirva para engranar tu trabajo dentro de conceptos lo más generales posibles. Esto te permitirá establecer colaboraciones con expertos que den valor añadido a tus resultados, y así rebasar la frontera actual del conocimiento. Por último, cuando uno inicia un grupo de investigación es fundamental contar con capacidad de liderazgo. Conocer bien a tus colaboradores para tratar de estimular en ellos esa excitación que supone el día a día en el laboratorio. Disfrutar con ellos de ese pequeño resultado que unido a muchos otros va dando cuerpo a una idea inicial, en muchas ocasiones obligando su modificación para ajustarla a los datos empíricos. Sentir junto a ellos que somos los primeros en poner de manifiesto un hecho, vivir un momento «Eureka», es algo que solo puede entenderlo quien lo experimenta.

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

R.- Conocer los mecanismos moleculares y celulares del desarrollo del sistema nervioso de los vertebrados me ha permitido profundizar en una nueva dimensión fascinante. Los procesos neurodegenerativos que destruyen el cerebro, y con él la mente de la que emana ese Yo mencionado anteriormente, son en cierta medida debidos a la desregulación de procesos que suceden durante el desarrollo embrionario. Por ello, mi investigación actual se centra en verificar si los mecanismos moleculares y celulares de la degeneración neuronal son similares a aquellos usados por el embrión para eliminar neuronas sobrantes. En la actualidad mi trabajo se centra en el estudio de la participación de la tetraploidización somática en neurodegeneración. Sabemos que durante el desarrollo embrionario, ciertas poblaciones de neuronas duplican su ADN nuclear, adquiriendo mayor tamaño. Un fenómeno similar sucede en el cerebro de los pacientes de Alzheimer, en los cuales se han descrito fenómenos de reactivación del ciclo celular en neuronas durante estadios muy iniciales de la enfermedad, así como cambios morfológicos en dichas neuronas. Existen evidencias de situaciones parecidas en pacientes con isquemia cerebral, Parkinson y quizá también con otros procesos neurodegenerativos. Pensamos que los cambios morfológicos y funcionales que suceden en las neuronas que duplican su ADN durante los procesos neurodegenerativos pueden ser causa de las alteraciones observadas en los pacientes. Al igual que sucede durante el desarrollo embrionario, deben existir mecanismos que previenen la muerte inicial de las neuronas que reactivan el ciclo celular, facilitando su mantenimiento en estado tetraploide, y sólo en los estadios finales de la enfermedad dichos mecanismos pueden ser suprimidos facilitando la muerte de las neuronas afectadas. En la actualidad estamos trabajando activamente en tratar de entender dichos mecanismos moleculares con la intención de diseñar abordajes terapéuticos novedosos frente a las enfermedades neurodegenerativas. 

P.- ¿Cuál consideraría que ha sido el principal avance científico del siglo XX?

R.- Un descubrimiento para mí transcendental, pero no suficientemente apreciado en biología, ha sido la demostración de que el orden puede surgir espontáneamente en sistemas caóticos. Es precisamente esta propiedad de los sistemas físicos complejos lo que permite la explicación racional del Universo en su conjunto. De este modo, los principios de autoorganización de la materia explican la aparición de partículas elementales, cómo éstas forman átomos y cómo éstos interaccionan entre sí dando lugar a las propiedades químicas de los compuestos. A su vez, la materia se autoorganiza formando estrellas, planetas, y otros cuerpos estelares, en algunos de los cuales, al menos en nuestro planeta, han surgido sistemas químicos complejos, autopoyéticos y capaces de perpetuarse, a los que denominamos seres vivos. Los organismos vivos simples, tales como las arqueobacterias y eubacterias terrestres, han interaccionado entre sí mediante endosimbiosis dando lugar a la emergencia de células eucariotas que en un momento dado se han asociado generando organismos pluricelulares, sistemas ecológicos y sistema sociales complejos. Esta autoorganización de la materia también ha permitido en algunos organismos vivos su interacción con el ambiente mediante sistemas nerviosos cada vez más complejos, a partir de los cuales han emergido mentes conscientes, algunas de ellas conscientes también de sí mismas como la mente humana. Esto se ha traducido en la generación de sistemas complejos que llamamos sociedades humanas, en las que han surgido relaciones sociales y económicas. La vida ha interaccionado también con el planeta generando un sistema autoorganizado que algunos denominan Gaia. La demostración de que el orden surge espontáneamente del caos y que la materia puede autoorganizarse dando lugar a distintos niveles de complejidad no debe entenderse en un sentido determinista, pues no puede predecirse a priori el estado organizado que surge en un sistema caótico: existen múltiples posibilidades (atractores) que evitan tal determinismo. El Universo es como es por azar y no como imperativo cósmico, y el hombre sigue siendo libre para equivocarse.

Perfil de José María Frade

José María Frade (Madrid, 1966) es licenciado en Ciencias Biológicas por la Universidad Complutense de Madrid y doctor en Ciencias por la Universidad Autónoma de Madrid (1994). Realizó su tesis doctoral en la influencia de las proteínas de la matriz extracelular sobre la neurogénesis, dirigida por Alfredo Rodríguez-Tébar. Durante 1995 trabajó en el Instituto Cajal estudiando el papel de las neurotrofinas en la diferenciación neuronal. Entre 1996 y 1998 trabajó con Yves-A. Barde en el Instituto Max-Planck de Neurobiología, demostrando la inducción de apoptosis por NGF a través del receptor p75NTR. A finales de 1998, regresó al Instituto Cajal para trabajar sobre la reactivación del ciclo celular en neuronas provocada por p75NTR. En agosto de 2000, obtuvo una plaza de Científico Titular. En la actualidad es Investigador Científico del Instituto Cajal donde estudia la regulación del ciclo celular en neuronas durante el desarrollo del sistema nervioso y en situaciones patológicas.