Especial Premio Lasker 2012.
Las redes de filamentos formadas por las proteínas del citoesqueleto permiten a las células adoptar una variedad de formas, segregar sus cromosomas, dividirse, organizar el citoplasma y llevar a cabo movimientos coordinados. Entre éstas, las proteínas de las familias de actina y de tubulina son capaces de auto-ensamblar formando los filamentos de actina y los microtúbulos respectivamente. Ambos son estructuras polares y dinámicas capaces de producir motilidad incluso sin la asistencia de otras proteínas, por lo que se les ha denominado filamentos citomotrices (1). Además, sobre estos filamentos, como si fueran raíles, se mueven las proteínas motoras de las familias de la miosina, quinesina y dineína, un tipo de motores moleculares que convierten la energía química de la hidrólisis del ATP en trabajo mecánico. Las proteínas que forman filamentos citomotrices se encuentran tanto en procariotas como en eucariotas, mientras que las proteínas motoras aparecieron en las células eucariotas.
Los descubrimientos clásicos del mecanismo de la contracción muscular, el ensamblaje de filamentos de actina purificada, la formación reversible del huso mitótico y la ultraestructura de los cilios y flagelos, precedieron a los de las fibras del citoesqueleto. Los microtúbulos citoplásmicos, los filamentos de actina, y los filamentos de diámetro intermedio se visualizaron posteriormente mediante microscopía electrónica.
Durante los primeros años 70 se consiguió reproducir el ensamblaje de microtúbulos in vitro a partir de tubulina purificada. En esos años también se visualizaron mediante microscopía de fluorescencia los filamentos de actina y los microtúbulos en prácticamente todas las células eucarióticas, así como los filamentos intermedios de diversos tejidos (vimentina, queratina, neurofilamentos). Durante los años 80 asistimos a una explosión de investigación en las diversas áreas del citoesqueleto tal como se conocen actualmente, incluyendo la dinámica de los microtúbulos y microfilamentos, las numerosas proteínas asociadas a actina y a microtúbulos, la organización del huso mitótico, las interacciones de los microtúbulos con drogas antitumorales así como aspectos patológicos, y los descubrimientos de la quinesina y la dineína citoplásmica. Sin embargo, las estructuras atómicas de actina y tubulina no se resolvieron hasta 1990 y 1998 respectivamente. Por otra parte, la visualización de proteínas fusionadas a proteína fluorescente verde mediante microscopía óptica permitió poner de manifiesto la organización subcelular de las bacterias durante los 90. Estos estudios, junto con las estructuras atómicas de la proteína de división celular bacteriana FtsZ (homóloga de tubulina), MreB (2001, homóloga de actina) y otras proteínas citomotrices, han revelado la existencia del citoesqueleto bacteriano.
Los descubrimientos de James Spudich (2), Michael Sheetz (3), y Ronald Vale (4) sobre cómo las proteínas motoras transforman energía química en movimiento comenzaron hace treinta años. Sheetz y Spudich (1982) observaron el movimiento de pequeñas bolas recubiertas de miosina añadidas sobre los filamentos orientados de actina de células abiertas del alga Nitella. Pocos años después Kron y Spudich consiguieron producir el movimiento de filamentos fluorescentes de actina purificada sobre una superficie recubierta de la proteína motora miosina al añadir ATP. Este experimento pionero de biología sintética dio origen a los ensayos posteriores de motilidad in vitro con muchos otros motores moleculares utilizando pinzas ópticas. También en los 80, Robert Allen, Scott Brady y sus colegas habían observado el transporte de vesículas citoplásmicas sobre filamentos en el citoplasma extruido de axón gigante de calamar, utilizando los avances del primero en videomicroscopía de contraste interferencial, que producían unas películas espectaculares para la época. Bruce Schnapp y Tom Reese demostraron que esos filamentos del axón no eran de actomiosina, sino microtúbulos. Ronald Vale y Michael Sheetz consiguieron reconstituir el transporte de vesículas in vitro. A continuación demostraron que el motor podía adsorberse a superficies y producir el movimiento de microtúbulos, o adsorberse a bolas que se deslizaban sobre microtúbulos. Utilizando esos ensayos purificaron dicho motor, descubriendo una nueva proteína motora que llamaron quinesina, que se mueve hacia el extremo positivo de los microtúbulos. Posteriormente, Robert Vallee demostró que el movimiento en sentido opuesto hacia el extremo negativo de los microtúbulos lo produce la dineína citoplásmica.
El interés por el conocimiento básico de los procesos biológicos, la combinación de abordajes multidisciplinares y las oportunidades que condujeron a los descubrimientos de Spudich, Sheetz, Vale (2-4) y otros investigadores en esa época constituyen una gran lección. Estos descubrimientos dieron paso a avances que continúan en la actualidad revelando las estructuras atómicas de estas proteínas motoras y sus mecanismos de generar movimiento (figura) pero esa es ya otra historia…que quizás reciba otro premio.
Referencias:
- Löwe J, Amos, LA 2009. Evolution of cytomotive filaments: the cytoskeleton from prokaryotes to eukaryotes. Int. J. Biochem. Cell Biol. 41, 323-329.
- Spudich JA (2012). One path to understanding energy transduction in biological systems. Nat. Medicine 18, viii-xii.
- Sheetz MP (2012). Following nature´s challenges. Nat. Medicine 18, xiii-xv.
- Vale RD (2012). How lucky can one be? A perspective from a young scientist at the right place and the right time. Nat. Medicine 18, xvi-xviii.