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Quimioquinas – receptores: un sistema complejo que regula el movimiento celular

Las quimioquinas son una familia de mediadores quimioatrayentes que por unión a receptores de siete regiones transmembrana acoplados a proteínas G promueven un amplio espectro de respuestas que van desde el movimiento celular y la respuesta inflamatoria hasta prevenir la infección por HIV-1. Su biología es compleja porque pueden dimerizar y sus receptores se localizan en la membrana celular formando dímeros y oligómeros que se organizan en complejos supramoleculares.

La evolución de los organismos multicelulares está muy condicionada por la capacidad de las células para comunicarse ente ellas y con su entorno. La aparición de receptores de membrana capaces de reconocer mensajeros químicos y físicos ha permitido la formación de comunidades celulares organizadas que posteriormente han dado lugar a seres pluricelulares donde la localización celular en el espacio y tiempo adecuados resulta crítica para la vida del organismo. Aunque es importante en todos los órganos y tejidos, es en el sistema inmunológico donde probablemente el movimiento celular resulta crítico ya que de él depende no sólo la homeostasis del sistema sino también su función. La complejidad de la respuesta inmune en vertebrados depende en gran medida del trabajo de patrulla de las diferentes células que lo componen y desde hace muchos años se postuló la existencia de una red de moléculas quimioatrayentes y de receptores responsables de la localización de cada tipo celular en tiempo y espacio definido. Inicialmente se pensó que algunos péptidos bacterianos como los formilpéptidos, o fracciones del complemento, como el C5a, eran responsables de esa función, pero pronto se observó que carecían de la especificidad necesaria para que sobre ellos descansara toda la organización de la respuesta inmunológica (1). En 1987, se identificó la Interleuquina 8, IL-8, una molécula capaz de atraer granulocitos pero inefectiva sobre monocitos (2). Ésta fue la primera evidencia de la existencia de moléculas quimioatrayentes capaces de atraer células para sustentar la organización y respuesta del sistema inmunológico y, por lo tanto, se había descrito el primer miembro de la familia de quimioquinas o, como inicialmente se consideraron, de las citoquinas quimioatrayentes.

La identificación de la proteína atrayente de monocitos tipo 1 (MCP-1 ó CCL2), capaz de atraer leucocitos mononucleares pero no polimorfonucleares (3), marcó el inicio de la búsqueda de nuevas moléculas que en la actualidad se agrupan en una familia con más de 50 quimioquinas y alrededor de 20 receptores.

Definido el papel de los pares quimioquina/receptor en el movimiento celular, es fácil suponer la participación de estas moléculas, además de en la formación de los órganos linfoides, en múltiples patologías relacionadas con procesos inflamatorios, entre ellas asma, arteriosclerosis, artritis reumatoide, esclerosis múltiple, colitis ulcerosa, enfermedad de Crohn, encefalitis alérgica o psoriasis. También se las ha relacionado con la infección por el virus VIH-1 ya que dos de estos receptores, CCR5 y CXCR4 son correceptores para este virus, con las metástasis tumorales, y con el rechazo a transplantes. Estamos pues ante un grupo de moléculas de alto interés farmacológico y con gran proyección terapeútica.

Las quimioquinas actúan por unión a receptores de membrana pertenecientes a la familia de los GPCR ya que poseen siete dominios transmembrana y están acoplados a proteínas que unen nucleótidos de guanina, proteínas G (4). Los cambios conformacionales que provoca la unión del ligando exponen los residuos implicados en la asociación de una proteína Gi sirviendo de gatillo para el resto de la cascada señalizadora: incremento de calcio intracelular, inhibición de la actividad adenilato ciclasa, liberación de las subunidades Gβγ de la propia proteína Gi, activación de la fosfatidilinositol-3-quinasa, activación de quinasas relacionadas con el citosqueleto celular como la quinasa de adhesión focal, p125FAK, activación de MAP quinasas, etc., es decir, la señalización que conduce entre otras cosas a los cambios en el citosqueleto necesarios para que se produzca el movimiento celular (5).

La biología de las quimioquinas es compleja porque existe mucha promiscuidad entre ligandos y receptores, además las células pueden expresar simultáneamente más de un receptor distinto y tanto los ligandos como sus receptores forman complejos de mayor orden molecular, es decir oligomerizan (6). La existencia de complejos diméricos de receptor se ha demostrado in vitro e in vivo usando técnicas clásicas de coinmunoprecipitación y tecnología biofísica de transferencia de energía resonante entre moléculas (BRET y FRET). Estos complejos se forman realmente durante la síntesis y maduración de las proteínas en el retículo endoplásmico y aparato de Golgi y así alcanzan la membrana celular. Estudios realizados usando microscopía electrónica demuestran que realmente estos receptores se organizan en la membrana en complejos supramoleculares, como si fuesen «mazos de puros» donde las unidades mínimas son los homo- y heterodímeros (6). La unión ligando a su receptor dimérico hará que ese receptor cambie de conformación y señalice, pero además provoca la propagación del cambio conformacional a otros receptores presentes en el complejo supramolecular, lo que altera sus capacidades de unir ligando. Una vez que por acción del ligando el receptor es internalizado y desaparece de la superficie celular los demás receptores vuelven al estado de reposo inicial (Fig. 1) Homo- y heterodímeros están en el complejo en equilibrio dinámico que es regulado por la expresión de receptores en la células y los niveles de ligando en el medio extracelular (7).

La oligomerización de los receptores regula la señalización y función de las quimioquinas, la afinidad de los receptores por los ligandos y resultan críticos para definir las propiedades farmacológicas de estos mediadores inflamatorios.

Los receptores de quimioquinas forman complejos supramoleculares de los que los dímeros (homo- y heterodímeros) son las unidades mínimas. La unión al ligando de su receptor específico provoca un cambio conformacional que se traslada a los receptores vecinos, alterando su capacidad de respuesta.
Referencias:
  1. Baggiolini, M. Chemokines and leukocyte traffic. Nature 392:565-568 (1998).
  2. Yoshimura T. et al. Purification of a human monocyte-derived neutrophil chemotactic factor that has peptide sequence similarity to other host defense cytokines. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 84:9233-9237 (1987).
  3. Yoshimura T. et al. Purification and amino acid analysis of two human monocyte chemoattractants produced by phytohemagglutinin-stimulated human blood mononuclear leukocytes. J. Immunol. 142:1956-1962 (1989).
  4. Murphy, P.M. The molecular biology of leukocyte chemoattractant receptors. Annu. Rev. Immunol. 12:593-633 (1994).
  5. Thelen M. and Stein JV. How chemokines invite leukocyte to dance. Nat. Immunology 9:953-959 (2008).
  6. Thelen M. et al. Chemokine receptor oligomerization: functional considerations Curr. Opin. Pharmacol. 10:38-43 (2010).
  7. Martínez Muñoz L. et al. Dynamic regulation of CXCR1 and CXCR2 homo- and heterodimers. J. Immunol. 183:7337-7346 (2009).

Entrevista a Mario Mellado

P.- ¿Cuándo surgió su vocación científica? ¿Le influyó alguien de forma especial? ¿Recibió de joven algún consejo al cual siga siendo fiel?

R.- Yo estudié en el colegio de los Sagrados Corazones de Miranda de Ebro (Burgos). Era un colegio de frailes, intelectualmente muy formados y con mucha tradición educadora. Entre ellos, el padre Leonardo daba biología y de manera muy autodidacta gestionaba un museo en el colegio, formado a través de los años, que incluía animales disecados, plantas, minerales e instrumentos científicos además de múltiples libros y atlas científicos. Todavía recuerdo las tardes en que las clases se trasladaban al museo, donde todo olía a madera y formol procedente de las estanterías. Aún hoy me parece estar viendo a aquel viejo profesor diciendo: «señores, el entorno que nos rodea está lleno de preguntas, no dejen de ser curiosos nunca». Casi sin darme cuenta así se sentaron las bases de mi posterior carrera profesional. De hecho cuando terminé el COU, lo tenía claro, quería estudiar bioquímica y orientar mis pasos hacia el laboratorio. En esos momentos mi visita al profesor José Antonio Saja, catedrático de física aplicada al estado sólido de la Universidad de Valladolid y amigo de mis padres, para que me orientara sobre las mejores opciones para estudiar bioquímica terminó por forjar mi vocación. 

P.- ¿Podría resumirnos brevemente su trayectoria profesional? ¿La repetiría en su totalidad?

R.- Cuando terminé la carrera de Farmacia y siguiendo de nuevo las indicaciones del profesor Saja, contacté con el profesor Eladio Montoya, entonces catedrático de la Universidad de Cádiz y becado por el fondo de investigaciones sanitarias (FIS) del Ministerio de Sanidad, empecé a trabajar en lo que a la postre sería mi tesis doctoral, el estudio de la interacción de la hormona TRH (Thyrotropin Releasing Hormone) con su receptor. El proyecto terminó en el año 1990 con la defensa de la Tesis en la Universidad de Alcalá de Henares, lugar donde el grupo se había trasladado en el año 1987.
En ese periodo doctoral fuí consciente de la importancia de los anticuerpos monoclonales y por ello mientras se resolvía el laboratorio donde realizar una estancia postdoctoral, fuí becado por el Ministerio de Educación para realizar una estancia postdoctoral de un año en una empresa, Kabi-Fides, cuya experiencia era precisamente la producción de anticuerpos monoclonales contra diferentes proteínas. Al acabar el año, el Dr. Rafael Llopis, entonces director de investigación de la empresa, me ofreció un contrato laboral y trabajar en un proyecto con la hormona de crecimiento. Un par de años después el grupo sufrió una remodelación y nos trasladaron al Centro Nacional de Biotecnología en Madrid donde el profesor Carlos Martínez Alonso había formado un grupo mixto de investigación con personal del CSIC y de la empresa. Éste sería el germen de lo que en 1996 fue el departamento de Inmunología y Oncología. Este departamento que contó con la financiación primero de Pharmacia y después de Pfizer se convirtió en un auténtico referente de la ciencia nacional además de ser el precursor de los actuales modelos que combinan financiación pública y privada. Fue en ese tiempo donde empecé a trabajar con las proteínas que hoy siguen siendo foco de mi interés, las quimioquinas y su papel en el movimiento celular. También es entonces cuando empecé a formar un grupo independiente de trabajo. En el año 2005 obtuve una plaza del CSIC por lo que continué con la misma línea de investigación ahora desde la función pública.
Yo creo que los objetivos de la carrera profesional los fija uno de antemano, pero luego la propia carrera es fruto de multitud de decisiones que se toman a lo largo de la misma, yo no me arrepiento de ninguna de esas decisiones.

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.- Las características imprescindibles son curiosidad y entusiasmo. La carrera científica es larga y poco agradecida si pensamos en los parámetros sociales de éxito, por eso es imprescindible tener mucho entusiasmo y fe en uno mismo. Difícil es dar consejos pero me parece muy importante una buena formación inicial. No debe tenerse prisa por empezar a trabajar en un laboratorio, es preferible gastar tiempo en elegir un buen grupo que trabaje en un campo que te interese, que viva la ciencia con intensidad, que sea dinámico y que dedique tiempo a la formación. Tras la tesis doctoral uno ya sabe lo que la ciencia demanda, si en esas condiciones queremos continuar la carrera, es necesario una estancia en un laboratorio internacional y en su elección debe aplicarse los mismo criterios de antes. Finalmente decir que es muy importante también dedicar tiempo a leer y estudiar trabajos publicados en el área de interés y asistir a seminarios científicos. Hay que darse cuenta que en la carrera científica la formación es continua y no se puede nunca dejar de estudiar.  

P.- ¿Podría describirnos brevemente en qué consiste su línea de investigación actual y cuál es su trascendencia? ¿Cómo ve el futuro de este área científica?

R.- Empecé hace años a estudiar la manera de interferir en el movimiento de las células del sistema inmunológico para definir dianas terapeúticas asociadas a pacientes con procesos inflamatorios, en concreto en mi etapa en Pharmacia desarrollamos herramientas para bloquear el asma en humanos. Era el momento en el que las quimioquinas y sus receptores estaban descubriéndose. Poco a poco me interesó su biología y en concreto empecé a focalizarme en las rutas de señalización que se activaban tras su unión a los receptores. Cuando descubrimos que estos receptores dimerizaban en la superficie celular, aspecto muy novedoso al tratarse de receptores clásicamente asociados a un funcionamiento individual, empezamos a caracterizar la relevancia funcional de esas conformaciones y su asociación a diferentes patologías, principalmente las autoinmunes. De manera similar descubrimos que las quimioquinas compartían alguna ruta señalizadora con otras proteínas con las que comparten escenario en los procesos inflamatorios, las citoquinas. Nos interesaron entonces los procesos de interferencia en las rutas de señalización entre esas familias de mediadores y la manera de usarlos para corregir la extravasación celular que ocurre durante la inflamación. En la actualidad estamos implicados en conocer las proteínas celulares que gobiernan el dinamismo de las conformaciones adoptadas por los receptores y analizando su relevancia funcional. Por otro lado tratamos de averiguar la trascendencia de las distintas rutas señalizadoras en la migración de células T in vivo, en la formación de sinápsis inmunológicas y en la respuesta de las células efectoras. En este sentido estamos también evaluando el valor como biomarcadores de patologías autoinmunes de algunas proteínas de dichas rutas.
El estudio en profundidad de las patologías autoinmunes es un campo de máximo interés dado el impacto social de estas enfermedades. Ser capaces de clasificar pacientes para adecuar tratamientos, predecir respuestas a los mismos y entender las bases moleculares y celulares donde radican sus causas es un reto para los investigadores en los próximos años. 

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

R.- Es muy difícil clasificar los avances científicos del siglo XX porque estamos hablando de años en los que se han producido la mayor concentración de descubrimientos científicos en el menor periodo de tiempo de la historia de la humanidad. Avances que han revolucionado la vida, los conocimientos y las expectativas de toda la humanidad, como nunca antes había sucedido.
Todos los descubrimientos científicos, incluso los que no tienen aplicación directa, generan conocimiento y asientan las bases de desarrollos futuros. Si tengo que destacar ahora algo señalaría la secuenciación completa del genoma humano, principalmente por el esfuerzo común. Por la suma de perfiles científicos de distintos ámbitos que se han necesitado para lograrlo y por las expectativas futuras que abre en el tratamiento personalizado de las enfermedades.

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

R.- Hemos atravesado una etapa de mucho desarrollo de la ciencia en España que nos ha permitido creer en nosotros mismos y llegar a ser muy competitivos internacionalmente. En la actualidad la actividad científica, como la sociedad, sufre las consecuencias de la crisis económica y trata de adaptarse a ella. Hoy se nos hace muy difícil reclamar financiación, pero por otro lado creo que es el colectivo que más puede ayudar a cambiar el modelo económico. Tenemos jóvenes muy preparados que se incorporan a los grupos con idea de realizar su tesis doctoral e iniciar así una carrera profesional que les exigirá muchos sacrificios, pero después no somos capaces de aprovechar su potencial por motivos económicos. Yo creo en el desarrollo de una carrera profesional, en la ciencia basada en el esfuerzo que permita, con los criterios de competitividad necesaria, incorporar científicos y personal técnico al sistema sin que tenga que estar ligado al funcionariado.

Por otro lado necesitamos involucrar al mundo empresarial en nuestras investigaciones, tengo la impresión de que la inversión pública no da mucho más de sí, además creo en la autonomía de los centros de investigación, los ejemplos creados en España sobre estas bases demuestran que es un modo adecuado para alcanzar la excelencia.

Perfil de Mario Mellado

Mario Mellado García (Miranda de Ebro, Burgos, 1962) se licenció en Farmacia en la Universidad Complutense de Madrid en 1985, para posteriormente doctorarse en Farmacia en la Universidad de Alcalá de Henares de Madrid en 1990 bajo la dirección del Prof. Eladio Montoya e investigando la interacción de la hormona liberadora de tirotropina (TRH) con su receptor. En 1991 se trasladó con una beca posdoctoral a la empresa Pharmacia donde coordinó proyectos relacionados con la hormona de crecimiento. En 1996 colaboró, como miembro de la empresa, en la formación del departamento de Inmunología y Oncología del CNB/CSIC bajo la dirección del Prof. Carlos Martínez-A. En este departamento, que dirigió en el periodo 2008-2010, continúa en la actualidad liderando el grupo de receptores de quimioquinas: nuevas dianas para la intervención terapéutica. En él estudia la biología de las quimioquinas y su participación en la respuesta inmunológica. En este sentido cabe destacar que identificó un anticuerpo neutralizante contra el receptor CCR2 que bloqueaba el asma en un modelo desarrollado en primates, describió por primera vez la dimerización de los receptores de quimioquinas e identificó rutas de señalización comunes entre quimioquinas y citoquinas abriendo la posibilidad de interferencia en la función de ambas familias de mediadores inflamatorios.