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Las Sirtuínas y la respuesta a estrés metabólico

Las Sirtuínas son una familia de proteínas que actúan como coordinadoras de la respuesta a diferentes tipos de estrés metabólico o energético. Aunque esta respuesta tiene lugar a muy diferentes niveles, en gran parte gira alrededor de la modulación de la memoria epigenética y la estructura de la cromatina para asegurar el mantenimiento de la integridad genómica.

Desde los inicios de la evolución, todos los organismos se han enfrentado al reto de poder adaptarse de una forma eficiente a las condiciones cambiantes del entorno. Entre ellas, muchas situaciones implican la aparición de desequilibrios a nivel energético o metabólico, que en muchos casos producen, por la propia naturaleza de nuestro metabolismo aeróbico, la aparición de estrés oxidativo. Los eucariotas han desarrollado un sistema de respuesta a estos tipos de estrés centrado en dos objetivos principales: cromatina y mitocondria. Durante la última década, las Sirtuínas han emergido como factores clave en la detección y la coordinación de las respuestas de estrés dirigidas a la cromatina y mitocondria (1). Las Sirtuínas fueron originalmente descritas en levadura como una nueva clase (III) de desacetilasas de histonas (HDACs). Este grupo de enzimas, las HDACs, forman parte de la maquinaria que regula las funciones asociadas a la cromatina a través de la eliminación de grupos acetilo de residuos clave de lisina principalmente en la región N-terminal de las histonas H3 y H4. La desacetilación de histonas promueve una descompactación de estas regiones de cromatina, permitiendo la accesibilidad de la actividad transcripcional a las regiones promotoras de los genes y por lo tanto, su expresión (2). Sin embargo, a diferencia del resto de HDACs, las Sirtuínas requieren la presencia de una coenzima en su reacción enzimática, NAD+(3). Esto llevó a especular que estas proteínas podrían detectar condiciones en las que la proporción NAD+/NADH estaría aumentada respecto a las condiciones normales y promover una respuesta coordinada a estas condiciones a través, entre otras cosas, del silenciamiento de ciertos genes o ciertas regiones del genoma. Un ejemplo es el control de la expresión de los genes ribosomales en el nucleolo, cuyo silenciamiento está entre los primeros eventos que se promueven en condiciones restrictivas. Hoy en día sabemos que la realidad es un poco más compleja, y que las Sirtuínas se activan en la mayoría de condiciones de estrés que implican un desequilibrio energético (estrés oxidativo, hipoxia, restricción calórica) o un daño en el genoma (estrés genotóxico)(4).

Otro aspecto muy importante ha sido el descubrimiento de que las Sirtuínas ejercen gran parte de sus funciones a través de la desacetilación de proteínas no histónicas, modulando así algunas de las propiedades de estas proteínas dianas (actividad, afinidad, localización) y regulando las vías reguladas por éstas (5). Finalmente, también se ha identificado en las Sirtuínas una segunda actividad enzimática (ADP-ribosilación) que parece derivar de la misma reacción enzimática de desacetilación y estar presente en todas las Sirtuínas en diferentes grados, aunque su especificidad y función es en general desconocida (6).

Los mamíferos contienen siete Sirtuínas (SirT1-7), que muestran un alto grado de diversificación funcional incluyendo una amplia gama de sustratos y un patrón muy diverso de localización celular (núcleo, nucleolo, citoplasma y mitocondria). Aunque las Sirtuínas están presentes ya en procariotas, donde participan en el metabolismo de la vitamina B12, en eucariotas gran parte de su función está íntimamente asociada a un papel regulador de la estructura, la expresión y el mantenimiento de la integridad del genoma (7). Esto es posible gracias a que han mantenido una especificidad por dos modificaciones pos-traduccionales de histonas o marcas, la acetilación de lisina 16 en la histona H4 (H4K16Ac) y la acetilación de lisina 9 en la histona H3 (H3K9Ac). Esto es notable, ya que la desacetilación de ambas modificaciones es necesaria para permitir la compactación de la cromatina (8). En el caso de H4K16Ac, la presencia de acetilación en este residuo ha sido asociada a una completa inhibición de la compactación de cromatina.
De las siete Sirtuínas sólo SirT1, 2, 6, y 7 parecen estar implicadas en la señalización de esta respuesta en la cromatina, mientras que SirT3-5 son mayoritariamente mitocondriales. Por lo que sabemos, las Sirtuínas están implicadas en una multitud de funciones que se pueden agrupar en cinco grandes bloques: i) El control de la integridad genómica (SirT1,2,6,7); ii) El mantenimiento de la homeostasis metabólica a nivel celular (SirT1,2,3,4,5,6), pero también a nivel de organismo; iii) Supervivencia en condiciones de estrés (SirT1,2,3,6,7); iv) Papel en el desarrollo embrionario y en diferenciación celular (SirT1); y v) el control del ciclo celular (SirT2). El mecanismo por el que ejercen su papel en cromatina comprende no solo la desacetilación de marcas en histonas, pero también la regulación de otros factores como enzimas (Suv39h1, Ezh2, p300) o factores de transcripción clave para alguna vía regulatoria relacionada con esta respuesta (NF-kB, p53, FOXO, PGC-1α, Myc) (9). Aunque la información disponible acerca de estas proteínas es aún muy parcial, las evidencias sugieren que modular la función de las Sirtuínas puede ser muy beneficioso para la salud humana. Esto se refleja en su participación en una amplia gama de patologías humanas como por ejemplo el cáncer, enfermedades endocrinas como la diabetes o muchas enfermedades neurodegenerativas. La próxima década deberá ser clave para determinar si las Sirtuínas son o no una de las llaves maestras para la mejora de la vida humana.

Las Sirtuínas promueven la respuesta a estrés a diferentes niveles y a través de diferentes mecanismos.
Referencias:
  1. Saunders, L.R and Verdin, E. Oncogene, 26, 5489, 2007.
  2. Vaquero, A., Sternglanz, R., and Reinberg, D., Oncogene, 26, 5505, 2007.
  3. Imai S, Armstrong CM, Kaeberlein M, Guarente L., Nature, 403, 795-800, 2000.
  4. Kwon HS, Ott M. Trends Biochem Sci. 33,517, 2008.
  5. Yamamoto H, Schoonjans K, Auwerx J. Mol Endocrinol. 21(8), 1745, 2007.
  6. Tanny JC, Dowd GJ, Huang J, Hilz H, Moazed D., Cell. 99, 735-45, 1999
  7. Bosch-Presegue, L., Raurell-Vila, H., Marazuela-Duque, A., Kane-Goldsmith, N., Valle, A.,Oliver, J., Serrano, L., Vaquero, A. Mol Cell, 42,210, 2011.
  8. Vaquero A. Int J Dev Biol.53, 303, 2009.
  9. Vaquero, A., and Reinberg, D., Genes Dev, 26, 5505, 2009.

Entrevista a Alejandro Vaquero

P.- ¿Cuándo surgió su vocación científica?

R.- Siempre me ha fascinado entender cómo funcionan las cosas. Desde pequeño abría aparatos para mirar de averiguar cómo podía ser que aquello funcionara, observaba insectos y animales preguntándome cómo podían existir, o miraba el cielo por la noche boquiabierto. Desde que lo recuerdo siempre he querido ser científico. Mi interés de hecho era muy general, hasta el punto de que estuve muy cerca de estudiar Física en lugar de Bioquímica. La culpa de esta decisión la tuvieron mis profesores de Química y Bioquímica durante el Bachillerato, que me hicieron darme cuenta de lo increíblemente parecidos que somos todos los seres vivos, desde una bacteria o un vegetal a una persona. Y todo esto debido a que compartimos los mismos mecanismos de funcionamiento basado en una misma base bioquímica de reacciones y moléculas. Esta fascinación todavía perdura y es el motor principal de mi trabajo . 

P.- ¿Podría resumirnos brevemente su trayectoria profesional?

R.- Me licencié en Bioquímica por la Universidad de Barcelona (UB) en 1994 y realicé mi tesis doctoral sobre los mecanismos de la transcripción de ARN-polimerasa II en Drosophila en el Centro de Investigación y Desarrollo (CID) del CSIC, en Barcelona. Entre 2000-2005, realicé mis estudios posdoctorales en el laboratorio del Dr Danny Reinberg (UMDNJ, Piscataway, NJ), en el Howard Hugues Medical Institute. Durante mi estancia en este laboratorio entré en contacto por primera vez con el mundo de la epigenética y con la familia de proteínas en las que he trabajado desde entonces, las Sirtuínas. A finales de 2005 volví a España, al Instituto de Biología Molecular de Barcelona (IBMB), primero como investigador I3P y después como investigador ICREA. En 2008 establecí mi laboratorio, el grupo de Biología de la Cromatina, en el Programa de Epigenética y Biología del Cáncer (PEBC), en el instituto IDIBELL (Hospitalet de Llobregat, Barcelona). En general, mi carrera científica ha girado alrededor de los mecanismos subyacentes a la regulación de las funciones asociadas a la cromatina, como son la expresión génica o la estructura de la cromatina. Con el objetivo de comprender estos procesos en un contexto más biológico, mi trabajo ha evolucionado desde estudios de transcripción in vitro durante mi doctorado, a la modulación epigenética de la estructura y la función de la cromatina en condiciones de estrés, así como sus implicaciones en el mantenimiento de la integridad del genoma, el cáncer y envejecimiento.

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

R.- Ante todo una gran curiosidad y mucha motivación, pero también grandes dosis de tenacidad, paciencia, capacidad de autocrítica y flexibilidad para adaptarse a nuevas ideas. Con respecto a esto, siempre recuerdo con mucha simpatía una cita incluida por el divulgador Martin Gardner en su recopilación de pequeños ensayos científicos «el escarabajo sagrado». Se refiere a un comentario de un Profesor de Economía de Princeton, Walter Stewart, que describe de alguna forma esa actitud vital del científico, en este caso refiriéndose a los físicos y a la gran cantidad de cambios que se dieron en esta disciplina en la primera mitad del siglo XX: «Los jóvenes físicos son, sin lugar a dudas, el grupo más ruidoso, pendenciero, activo e intelectualmente despierto que tenemos aquí. El mundo cambia para ellos cada semana y, simplemente, les encanta que así sea. Hace unos días, cuando salían arrollándolo todo de un seminario en el que habían participado, pregunté a uno de ellos: <<¿Qué tal os ha ido?>> <<¡Fenomenal!- respondió-¡Todo lo que sabíamos de física la semana pasada no es cierto!>>»
También es importante destacar la capacidad para trabajar en equipo, y en el caso de un jefe de grupo, ser también un buen manager de personal y un gran motivador para sacar lo mejor de cada investigador en beneficio del grupo.

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

R.- Detectar y responder de manera eficiente a los cambios del entorno es un gran desafío para todos los organismos. Algunos cambios generan fluctuaciones del estado metabólico o energético de la célula que en muchos casos se asocian a la formación de especies reactivas del oxígeno (ROS) y en un estado general que denominamos estrés oxidativo. Estas condiciones son muy peligrosas para el organismo, y en particular para la integridad del genoma, e implican una importante respuesta del organismo y/o la célula. Una comunicación eficiente entre los cambios o fluctuaciones «ambientales» (sea dentro de la célula o fuera, hablemos de un organismo unicelular o pluricelular como nosotros) y una respuesta coordinada eficiente implica un menor daño en el organismo. De hecho, se cree que el envejecimiento es un proceso en gran parte modulado por la acumulación de daños generados por estas condiciones durante toda la vida. También hay constancia de que desequilibrios en estas respuestas están relacionados con muchas patologías humanas como cáncer, una gran parte de las enfermedades neurodegenerativas, o enfermedades metabólicas como diabetes.

Mi grupo está particularmente interesado en entender cómo esta respuesta a estrés se comunica con el genoma, cómo modula la memoria epigenética y qué consecuencias tienen estos mecanismos para el mantenimiento de la estabilidad del genoma. En este sentido, nuestros estudios están centrados en entender el papel de los miembros de la familia Sir2 o Sirtuínas, como coordinadores de esta respuesta a estrés y como mediadores clave entre los cambios «ambientales» y la memoria epigenética almacenada en la cromatina. Las Sirtuínas son desacetilasas de histonas y otras proteínas que se cree que pueden «sentir» estos cambios en el estado metabólico de las células debido a su requerimiento de NAD+ para su actividad enzimática. Esta desacetilación podría regular desde la estructura de la cromatina, a ciertas vías claves en la respuesta como la inhibición de apoptosis y senescencia, la inducción de proliferación, la activación de mecanismos de reparación, etc. Debido a su papel clave en la adaptación de la célula y/organismo la modulación de la actividad de las Sirtuínas puede ser muy beneficiosa para la salud humana. En este sentido, muchos grupos de investigación y compañías farmacéuticas están actualmente desarrollando fármacos moduladores de algunas de las Sirtuínas que podrían tener un papel importante en Biomedicina en un futuro próximo.  

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

R.- Teniendo en cuenta que estamos hablando del período más fructífero, desde el punto de vista científico y tecnológico, de toda la historia de la humanidad esa es una pregunta muy complicada. Yo no me quedaría con un descubrimiento clave sino con el cambio de perspectiva que ha representado, a nivel biológico, el descubrimiento del ADN como el material portador de la información genética, del código genético, de las bases moleculares de muchas enfermedades, el desarrollo de la tecnología del ADN recombinante… tantas cosas! Desde el punto de vista de la física, la teoría de la relatividad, el control del átomo, la salida al espacio y a la luna, los ordenadores, el envío de sondas a Marte y más allá del sistema solar… La perspectiva que creo que ha cambiado en la humanidad es que no hay nada que no podamos llegar a comprender ni nada que el hombre no pueda llegar a conseguir con el tiempo y la dedicación suficiente, incluso aunque cueste un gran número de generaciones. 

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

R.- En general, completamente descompensada, incompleta y demasiado dependiente del político de turno. El acceso a doctorado es muy eficaz, pero a partir de ahí todo es mucho más complicado. Por un lado, tenemos un déficit histórico de falta de financiación para contratar postdocs, por lo que en este país la mayor parte de la ciencia la generan los becarios pre-doctorales. Esto no es bueno porque a los investigadores pre-doctorales, que son estudiantes, se les traslada en exceso una responsabilidad que en el laboratorio debería ser en gran parte dependiente de investigadores senior. Esto tampoco permite esa renovación de ideas, innovación y conocimientos nuevos que aporta al laboratorio la llegada de un investigador formado e independiente como un postdoc. El otro gran problema es, en mi opinión, la falta de concreción en los diferentes estadios y requisitos que deberían marcar una carrera científica más allá del instituto, organización o Universidad donde uno desarrolle su carrera científica. Esto se da sobretodo en el estadio intermedio entre postdoc e investigador jefe de grupo (donde los contratos ICREA junior o una buena parte de los contratos Ramón y Cajal han resultado un fracaso en muchos casos precisamente por su falta de definición).

Perfil de Alejandro Vaquero

Licenciado en Bioquímica por la Universidad de Barcelona en el año 1994, recibió su doctorado en la misma universidad en 2000 por su trabajo en el estudio de los mecanismos implicados en la transcripción génica en Drosophila. Investigador posdoctoral del Howard Hughes Medical Institute (HHMI) en el laboratorio del Dr. Danny Reinberg (EEUU). A finales de 2005 retornó a España como investigador I3P (CSIC) primero, y posteriormente investigador ICREA en el IBMB-CSIC (Barcelona). En el año 2008 se incorporó al instituto IDIBELL como Jefe del laboratorio de Biología de la Cromatina, en el Programa de Epigénetica y Biología del Cáncer (PEBC) del Instituto IDIBELL. Sus estudios se centran en entender la función de una familia de proteínas, las Sirtuínas, que parece ser el nexo clave entre la modulación de la memoria epigenética y la respuesta a estrés oxidativo con la preservación de la integridad genómica.