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Las levaduras también sufren: mecanismos de respuesta a estrés por pH alcalino

La alcalinización del medio supone un estrés importante para la levadura Saccharomyces cerevisiae, al que reacciona con una respuesta orquestada de diversas vías de señalización que configuran una compleja respuesta transcripcional adaptativa. Nuestro grupo ha contribuido notablemente a descifrar esta red de señales y sus mecanismos de regulación.
Por Joaquín Ariño Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) joaquin.arino@uab.es
DOI: http://dx.doi.org/10.18567/sebbmdiv_ANC.2012.02.1

La levadura Saccharomyces cerevisiae es un organismo importante en Biotecnología y en la industria alimentaria, pero que también sirve de modelo de investigación en Biología. Es un organismo un tanto raro, ya que incluso en ambientes aerobios y ricos en azúcares tiende a fermentar éstos (preferentemente la glucosa) transformándolos en piruvato y, de ahí, a etanol, en lugar de oxidarlos de inmediato a CO2 con un rendimiento energético mucho más favorable. Este metabolismo eminentemente glucolítico es fuertemente acidificante y el exceso de protones es expulsado, con gasto de energía, por una H+-ATPasa. De esta manera, S. cerevisiae acidifica marcadamente su entorno y el gradiente electroquímico formado sirve de motor para la captación de diversos cationes (sobre todo potasio) y nutrientes, que son esenciales para la supervivencia del organismo. Por lo tanto, un entorno neutro o moderadamente alcalino es poco favorable para el crecimiento de esta levadura y la alcalinización súbita del medio, siquiera modesta, le supone una importante situación de estrés que afecta negativamente su crecimiento y productividad.

Sorprendentemente, cuando hace poco más de 10 años nos interesamos por este aspecto de la biología de la levadura, descubrimos que apenas había sido investigado. Durante este tiempo nuestro grupo ha conseguido caracterizar la red de mecanismos de respuesta a una situación de estrés alcalino. Las primeras pistas relevantes las obtuvimos mediante dos aproximaciones paralelas: el estudio de la respuesta transcripcional del gen ENA1, que codifica una Na+-ATPasa importante en la destoxificación de este catión, y el análisis mediante microarrays de ADN de la respuesta transcripcional global a un incremento moderado de pH. Ambas aproximaciones nos demostraron que la respuesta a pH alcalino era multifactorial e implicaba múltiples vías de señalización (1). Una de ellas está mediada por la señal de calcio, que entra en cuestión de segundos desde el exterior a través de transportadores de alta afinidad y, entre otras acciones, activa la proteína fosfatasa calcineurina (2). La calcineurina desfosforila el factor transcripcional Crz1, lo que permite su entrada en el núcleo y su unión a secuencias específicas promoviendo la activación de diversos genes relevantes para la adaptación a pH alcalino (entre ellos, ENA1). Los datos de microarrays también mostraron que algunas vías de señalización de nutrientes, como las que responden a falta de fosfato o de cobre/hierro también son activadas por pH alcalino. De hecho, la disponibilidad de cobre y hierro resultó ser uno de los factores determinantes de la tolerancia a alto pH (3).

Otro mecanismo en la respuesta a estrés alcalino es la vía de Rim101. A diferencia de otras levaduras, en S. cerevisiae se trata de un efecto indirecto, ya que la activación de Rim101 conlleva la represión de la expresión de Nrg1, un represor transcripcional que actúa sobre diversos genes importantes a pH alcalino (4). La exposición a pH alcalino parece dañar de alguna manera la pared de la levadura. Ello conlleva la activación de la vía de la MAP quinasa Slt2, que coordina el mantenimiento de la integridad de la pared. En esta señalización juega un papel clave el sensor de membrana Wsc1. La activación de Slt2 justifica una parte de la respuesta transcripcional a estrés alcalino (5).

Un componente significativo de la respuesta transcripcional a pH alcalino lo constituyen genes que son regulados en respuesta a la disponibilidad de glucosa. Esta señal, extremadamente importante en levaduras, implica tanto la vía de la proteína quinasa dependiente de AMPc (PKA) como la de Snf1 (equivalente a la quinasa activable por AMP en animales). Recientemente hemos demostrado (6) que, en respuesta a pH alcalino, la vía de la PKA sufre una inhibición, promovida por una caída transitoria de los niveles de AMPc, que tiene como consecuencia la rápida activación de los factores de transcripción Msn2/Msn4. Ello promueve una respuesta transcripcional potente y rápida que implica muchos de los genes de respuesta a glucosa. La activación de Snf1 es también relevante en la adaptación a un incremento de pH, como demuestran nuestros experimentos más recientes. La interconexión de las diferentes vías que se activan por pH alcalino es sorprendentemente compleja. Así, muchos de los genes relacionados con la respuesta a falta de glucosa que se inducen por pH alcalino, y que suelen estar bajo el control de Snf1, contienen también elementos de respuesta a calcineurina en sus promotores, de manera que reciben un doble «input» a consecuencia de la alcalinización del medio (7).

En resumen, la respuesta adaptativa a estrés por pH alcalino en levadura es extraordinariamente compleja, implicando diversas vías que entrecruzan sus señales potenciando así la robustez del sistema. Su pleno conocimiento nos llevará a poder diseñar cepas específicas o condiciones de cultivo que permitan un crecimiento vigoroso, con el consiguiente impacto en la producción, incluso en condiciones desfavorables.

El complejo entramado de señales en la respuesta a estrés alcalino (modificado de la Ref. (8)).
Referencias:
  1. Serrano, R., Ruiz, A., Bernal, D., Chambers, J. R., and Arino, J. (2002) Mol. Microbiol. 46, 1319-1333
  2. Viladevall, L., Serrano, R., Ruiz, A., Domenech, G., Giraldo, J., Barcelo, A., and Arino, J. (2004) J. Biol. Chem. 279, 43614-43624
  3. Serrano, R., Bernal, D., Simon, E., and Arino, J. (2004) J. Biol. Chem. 279, 19698-19704
  4. Lamb, T. M. and Mitchell, A. P. (2003) Mol. Cell Biol. 23, 677-686
  5. Serrano, R., Martin, H., Casamayor, A., and Arino, J. (2006) J. Biol. Chem. 281, 39785-39795
  6. Casado, C., Gonzalez, A., Platara, M., Ruiz, A., and Arino, J. (2011) Biochem. J. 438, 523-533
  7. Ruiz, A., Serrano, R., and Arino, J. (2008) J. Biol. Chem. 283, 13923-13933
  8. Arino, J. (2010) OMICS. 14, 517-523
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Entrevista a Joaquín Ariño

P.- ¿Cuándo surgió su vocación científica?

R.- Recuerdo que ya de bastante pequeño me atraía, de una manera aún difusa, todo aquello que tenía que ver con la Ciencia y la Tecnología. Me atraía en particular la capacidad de la Química como herramienta para entender e incluso modificar los procesos vitales. Quizá por ello cursé primero la carrera de Farmacia y me especialicé durante la misma en Química Orgánica, desde donde di el salto a la Bioquímica.

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

R.- Mucha gente piensa que un investigador es una especie de genio y que si no eres genial no puedes hacer ciencia. Yo no estoy tan seguro. Por supuesto, una buena cabeza es un requisito muy apreciable en investigación. Sin embargo, claramente, no es suficiente. Yo valoro mucho la mezcla de capacidad de razonamiento lógico con algunas dosis de intuición. A mí me parecen también claves para configurar un buen científico la ilusión, la curiosidad y el tesón. Ilusión y tesón son, en realidad, dos facetas de la misma materia. Cuando se trabaja en la frontera del conocimiento en un área determinada, el avance es lento y penoso. Son muchos más los días en que parece que estamos inmovilizados en un punto, que aquellos en que somos conscientes de haber dado un paso adelante significativo. Sin ilusión es difícil volver cada mañana con ánimos al laboratorio y sin tesón no se consigue resolver los problemas.

P.- ¿Le influyó alguien de forma especial?

R.- Un primer impacto, muy notable, ocurrió ya antes de entrar en la universidad. En COU (Curso de Orientación Universitaria) tuve una profesora de Biología extraordinaria, Catalina Bosch, que marcó un antes y un después en mi interés por la Biología Celular y Molecular. Después, ya durante la carrera, en medio de una masa de profesorado más o menos mediocre, destacaban de manera brillante diversos profesores de Química Orgánica (como Joan Bosch), Fisiología o Bioquímica (muy en particular Joan J. Guinovart). Durante aquellos años estas áreas atrajeron en mi facultad a las mentes más inquietas.

P.- ¿Podría resumirnos brevemente su trayectoria profesional?

R.- Es relativamente simple. Me licencié en Farmacia por la Universidad de Barcelona en 1980, y defendí al año siguiente una Tesina basada en mi trabajo en el Departamento de Química Orgánica, sobre la síntesis de 7,8-benzomorfanos. De ahí salté al Departamento de Bioquímica, donde inicié mi Tesis Doctoral que finalicé en 1986 ya en la Facultad de Veterinaria de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB). En mi tesis, dirigida por Joan Guinovart, empecé a familiarizarme con un aspecto de la regulación de la función de las proteínas cuyo estudio no he abandonado nunca: los procesos de fosfo-desfosforilación reversible. A los pocos meses marché al Departamento de Bioquímica de la University of Massachussets Medical School, para trabajar con Gary L. Johnson. Aunque este investigador era un especialista en proteínas G y rodopsina, yo desarrollé una línea un tanto heterodoxa: la identificación y clonación de Ser/Thr proteína fosfatasas. Fue un período relativamente corto, ya que en el ínterin conseguí una plaza de Profesor Titular en la UAB, lo que aceleró mi vuelta, que ocurrió en enero de 1988. Sin embargo tuve tiempo suficiente para aprender las técnicas de Biología Molecular, que ya entonces estaba adquiriendo una importancia extraordinaria, y conseguir clonar las primeras proteínas fosfatasas humanas, que publicamos en 1988.
De vuelta a la UAB, Joan Guinovart estaba interesado en caracterizar el metabolismo del glucógeno en levaduras, el cual presentaba algunas características particulares. A partir de ahí empecé a familiarizarme con este modelo experimental, en el que no tenía experiencia previa y, casi sin darme cuenta, me encontré clonando nuevas proteína fosfatasas de S. cerevisiae e intentando descifrar su función biológica. Mi primer artículo como investigador independiente en este campo fue publicado en 1992 y desde entonces he seguido esta línea de trabajo. Fue también relevante en aquella época el conseguir un equipo de secuenciación automática (de los primeros en España), que fue el germen del Servicio de Genómica de la UAB. La experiencia adquirida nos permitió intervenir en el proyecto de secuenciación del genoma de levadura, culminado en 1996, cuando ya había obtenido una plaza de Catedrático en la UAB. En Junio de 2010 el grupo se trasladó al Institut de Biotecnología i Biomedicina, dentro del mismo campus, después de casi 20 años de vida en la Facultad de Veterinaria en los que hemos producido casi 100 artículos de investigación, muchos de ellos relacionados con la fosforilación de proteínas y su impacto en el control celular.

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

R.- En el ámbito de la Biología creo que no estaríamos donde estamos sin un par de avances relacionados: 1) los diversos descubrimientos que definieron el DNA como el material de transmisión de información genética, y 2) el desarrollo, a mediados de 1970, de técnicas eficaces de secuenciación de DNA, que nos dieron acceso a esta información. A mí me sigue maravillando la simplicidad e ingenio del método de secuenciación basado en el uso de dideoxinucleótidos descrito por Sanger y colaboradores, si no recuerdo mal en 1977, y que ha aguantado el tipo como método de elección hasta hace muy pocos años..

P.- ¿Cuál ha sido su mayor sorpresa en el área de investigación en que trabaja?

R.- Seguramente descubrir que una proteína que considerábamos un regulador negativo de una proteína fosfatasa ha resultado ser, además, un componente de una enzima que es necesario para sintetizar el Coenzima A. Publicamos el descubrimiento hace casi dos años y todavía no nos hemos repuesto de la sorpresa.

Perfil de Joaquín Ariño

Joaquín Ariño (Barcelona, 1957) es Catedrático de Bioquímica y Biología Molecular en la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB). Licenciado en Farmacia por la Universidad de Barcelona, obtuvo el grado de Doctor por esta universidad en 1986. Tras una estancia posdoctoral en la University of Massachusetts Medical School, donde clonó la primera Ser/Thr proteína fosfatasa humana, retornó a la UAB como Prof. Titular. Especializado en el campo de las Ser/Thr proteína fosfatasas, ha descubierto muchos de estos enzimas en los más diversos organismos. Desde 1990 dirige un grupo de investigación que, empleando la levadura Saccharomyces cerevisiae como modelo primordial, pretende elucidar las vías de señalización de respuesta a estrés (sobre todo salino y por pH) basadas en procesos de fosfo-desfosforilación. Ha publicado alrededor de 120 artículos o revisiones y dirigido 15 Tesis Doctorales. Recientemente recibió una Distinción ICREA Academia por su labor investigadora