Nuestros científicos

Javier García Nafría

Instituto de Biocomputación y Física de Sistemas Complejos, Universidad de Zaragoza

El agonismo sesgado como herramienta para mejorar los fármacos

El agonismo sesgado ocurre cuando un fármaco activa preferentemente una ruta de señalización con respecto a otra a través de un mismo receptor (generalmente un receptor GPCR). Ser capaces de controlar el agonismo sesgado tiene el potencial de mejorar los tratamientos de una gran cantidad de enfermedades.

Actualmente el ~35% de los fármacos utilizados hoy en día tienen como diana terapéutica a los receptores acoplados a proteínas G (GPCRs)1. Ejemplos de estos fármacos son lo utilizados en el tratamiento del VIH, la enfermedad de Parkinson o problemas cardiovasculares. Los GPCRs constituyen la familia de receptores más grande del cuerpo humano y se encuentran en la superficie de las células de todos los órganos principales. Estos receptores detectan una alta variedad de señales (neurotransmisores, hormonas, luz, olores…etc) y transducen la información al interior celular activando heterotrímeros de proteínas Gαβγ y arrestinas. Esto desencadena cascadas de señalización que resultan en una respuesta celular específica de cada célula y tejido2. Existen 16 tipos de subunidades Gα (englobadas en cuatro grupos: GαS, Gαi/O, Gαq/11 y Gα12/13) y dos arrestinas ubicuas (arrestina-2 y -3), y cada una activa/inhibe una ruta de señalización incluyendo activación de quinasas y transcripción de nuevos genes. Por ejemplo, la proteína GαS activa la producción de AMP cíclico, la Gαi/O la inhibe, la Gαq/11 activa la señalización por calcio y las arrestinas suelen activar kinasas tipo ERK. Aunque tradicionalmente se ha asumido que un GPCR activaba una única ruta de señalización ahora se sabe que un mismo estímulo (o fármaco) puede activar varias rutas de señalización que causan efectos distintos e incluso opuestos. Además, diferentes fármacos actuando sobre un mismo receptor pueden activar distintas rutas de señalización, dando lugar a fármacos con un sesgo (o preferencia) específico sobre una ruta de señalización. Este concepto, en el que un fármaco activa preferentemente una ruta de señalización se denomina agonismo sesgado (Figura 1). Frecuentemente los efectos beneficiosos de un fármaco son consecuencia de la activación de una ruta determinada, mientras que las rutas alternativas suelen resultar en efectos secundarios no deseados.

Entonces, ¿cómo podemos mejorar los tratamientos actuales?

Diseñando fármacos sobre GPCRs que activen exclusivamente la ruta de señalización con efectos beneficiosos. Esto eliminaría una fuente importante de efectos secundarios y potencialmente abriría puertas al desarrollo de fármacos para enfermedades sin tratamiento. Desafortunadamente no se entienden los mecanismos por los que ocurre el agonismo sesgado y, por tanto, no somos capaces de desarrollar este tipo de fármacos de manera racional. La hipótesis más aceptada postula que los GPCRs pueden adoptar un amplio espectro de conformaciones y que, ciertas de ellas, mejoran la afinidad (y por tanto activación) por ciertas proteínas intracelulares de señalización. De esta manera los fármacos que estabilizan ciertas conformaciones del receptor podrían inducir la activación de cascadas de señalización específicas. Sin embargo, la relación entre la unión de un fármaco en la región extracelular del receptor y su efecto en la función de la parte intracelular se desconoce.

Recientemente ha habido varios avances técnicos que prometen proporcionar información esencial para entender el sesgo de un ligando en un receptor. Uno de ellos es la crio-microscopía electrónica de alta resolución, con la se pueden determinar estructuras tridimensionales a resolución cuasi-atómica para observar y comparar cómo fármacos con diferentes sesgo se unen y modifican al receptor3. Otros avances incluyen mejoras en metodologías biofísicas basadas en BRET (Bioluminescent Resonance Energy Transfer) con las cuales se pueden detectar y cuantificar todas las rutas de señalización activadas por un fármaco4,5 y avances en computación basados en información estructural6. Siendo capaces de diseñar fármacos con un sesgo específico en modelos celulares nos permitirá abordar los siguientes retos, ya que el agonismo sesgado no solo depende del fármaco y del receptor, si no que depende además del ambiente local del receptor (nivel de expresión y localización sub-celular de las diferentes proteínas de señalización). Esto se denomina sesgo de sistema, ya que es exclusivo para cada tipo de célula. Adicionalmente, el sesgo del sistema puede variar con el estado desarrollo, patología o incluso con los tratamientos, lo que se denomina sesgo dinámico7. Aunque quede mucho camino por recorrer, y todavía no seamos capaces de cuantificar cuántos tratamientos podrían beneficiarse, el agonismo sesgado tiene un alto potencial para mejorar los fármacos actuales y la calidad de vida de las personas. Hasta entonces, la investigación básica será esencial.

REFERENCIAS
  1. Santos, R. et al. A comprehensive map of molecular drug targets. Nat. Rev. Drug Discov. 16, 19–34 (2016).
  2. Pierce, K. L., Premont, R. T. & Lefkowitz, R. J. Signalling: Seven-transmembrane receptors. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 3, 639–650 (2002).
  3. García-Nafría, J. & Tate, C. G. Cryo-Electron Microscopy: Moving Beyond X-Ray Crystal Structures for Drug Receptors and Drug Development. Annu. Rev. Pharmacol. Toxicol. 60, annurev-pharmtox-010919-023545 (2020).
  4. Olsen, R. H. J. et al. TRUPATH, an open-source biosensor platform for interrogating the GPCR transducerome. Nat. Chem. Biol. (2020). doi:10.1038/s41589-020-0535-8
  5. Avet, C. et al. Selectivity Landscape of 100 Therapeutically Relevant GPCR Profiled by an Effector Translocation-Based BRET Platform. SSRN Electron. J. 1–41 (2020). doi:10.2139/ssrn.3586569
  6. Suomivuori, C. M. et al. Molecular mechanism of biased signaling in a prototypical G protein-coupled receptor. Science (80). 367, 881–887 (2020).
  7. Michel, M. C., Seifert, R. & Bond, R. A. Dynamic bias and its implications for GPCR drug discovery. Nat. Rev. Drug Discov. 13, 869–870 (2014).

Entrevista a Javier García Nafría

P.- ¿Cuándo surgió su vocación científica? ¿Le influyó alguien de forma especial?

R.- Mi interés por la ciencia comenzó a manifestarse durante la infancia. Con 11 años tenía un cuaderno donde escribía mis “datos científicos” y formulaba hipótesis. Mi favorita era la hipótesis de la existencia de universos paralelos a diferentes escalas de tamaños. En esta hipótesis los átomos eran como el sistema solar, con los electrones orbitando alrededor del núcleo como los planetas orbitan alrededor del sol. Por esta razón quizás la galaxia (o el universo) era el material del que estaba hecho una sartén o una mesa en un mundo paralelo gigante. A parte de estas anécdotas de la infancia realmente no tuve claro que me gustaba la investigación hasta que, en el último año de carrera, empecé a trabajar en un laboratorio de investigación. Fue en esos momentos cuando descubrí lo que realmente me gustaba y decidí hacer un doctorado.

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

R.- Comencé haciendo la carrera de Biología en la Universidad de Alcalá de Henares (2002-2005) para luego acceder al segundo ciclo de Bioquímica en la Universidad Autónoma de Madrid (2005-2007). Durante el último año de carrera estuve trabajando en el Centro Nacional de Investigaciones Oncológicas (CNIO) donde estudié proteínas involucradas en la replicación del ADN. Al acabar la carrera tenía pocas posibilidades de realizar el doctorado en España por lo que opté por buscar opciones en el extranjero y finalmente aterricé en la Universidad de York (2007-2001, York, Reino Unido). Después del doctorado, y tras intentar volver a España sin éxito, realice dos estancias post-doctorales en el MRC LMB en Cambridge (2012-2019). Durante este tiempo mantuve diversas colaboraciones con empresas farmacéuticas. En 2019 volví a España con un contrato Ramón y Cajal a formar un grupo de investigación.
Por supuesto que lo repetiría en su totalidad, no cambiaría absolutamente nada. Por el camino ha habido aciertos y errores, mala y buena suerte, gente agradable y gente no tan agradable, pero todos los momentos y personas han contribuido de una manera u otra a ser lo que soy hoy en día.

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.- En mi opinión lo más importante es tener mucho entusiasmo por lo que haces, lo que quieres descubrir, tener curiosidad y no perder de vista el objetivo importante. A esto le sumaría ser un poco insensible al fracaso, ya que para conseguir un éxito hacen falta muchos fracasos.

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

R.- En la actualidad dirijo el grupo de investigación “Signal transduction and membrane protein therapies” y se encuentra en sus estadíos iniciales (https://sites.google.com/view/signal-transduction-lab/homepage.). Actualmente el grupo está formado por una estudiante pre-doctoral y dos estudiantes de grado, y espero expandir en los próximos años. La investigación del grupo se centra en entender la función de receptores GPCR neuronales, su modulación por fármacos y la búsqueda de nuevas rutas para desarrollar tratamientos en enfermedades neurodegenerativas. Intentamos entender nuevos mecanismos de señalización de estos receptores que pueden dar lugar a diversas respuestas celulares, como puede ser el agonismo sesgado, la especificidad de fármacos o la oligomerización de receptores en la membrana. Para llevar a cabo esta investigación usamos un amplio rango de técnicas que incluyen la biología estructural (principalmente crio-microscopía electrónica), biología molecular, ensayos celulares y de señalización, biofísica y trabajo con proteínas de membrana in vitro. Esta área científica esta actualmente en explosión. Esta familia de receptores tiene un papel importante en la función de todos los órganos principales y, además, son la diana terapéutica de más de un tercio de los fármacos utilizados hoy en día. Durante las últimas décadas, trabajar con este tipo de receptores in vitro ha sido un reto debido a su inestabilidad. Sin embargo, los desarrollos tecnológicos, y sobre todo la reciente capacidad de la crio-microscopía electrónica para la determinar estructuras a resolución atómica, están abriendo nuevas oportunidades.

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

R.- La verdad es que durante los últimos cinco años se ha ido poniendo cada vez más difícil. La carrera investigadora ya es dura de por sí (a nivel global), y lo que la hace diferente a otros trabajos es que tienes que destacar en cada etapa, y avanzar profesionalmente para poder seguir haciendo lo que te gusta (al menos hasta conseguir una plaza estable). La persona que no lo haga es expulsada por el sistema ya que existen muy pocas figuras estables de investigador (con esto me refiero a investigadores senior que no dirijan un grupo de investigación). En España esto es aún más acusado debido a la baja financiación que permite la escasa contratación de personal doctor. Esto promueve que los recién doctorados se vean obligados a emigrar y los que se quedan, lo hacen muchas veces con condiciones precarias. En el otro extremo, los científicos que lideran un grupo en España suelen tener una posición permanente, sin revisiones periódicas (funcionario). Esto no es así en el resto de países (al menos que yo conozca) donde se realizan revisiones periódicas al trabajo del grupo y existen consecuencias dependiendo de los resultados (sin que tenga que significar la pérdida del trabajo). En mi opinión, un aumento de la financiación facilitaría la carrera científica de los más jóvenes mientras que un sistema más dinámico en esferas más altas facilitaría la reincorporación de talento emigrado.

Perfil biográfico

Su investigación se centra en entender la estructura y función de receptores neuronales y su modulación por fármacos.

Javier García Nafría se licenció en Bioquímica por la Universidad Autónoma de Madrid (2007) para luego trasladarse a Reino Unido donde realizó su doctorado (York, 2007- 2011) y dos estancias post-doctorales en el MRC Laboratory of Molecular Biology (Cambridge, 2012-2016 y 2017-2019). En 2019 regresó a España gracias a un contrato Jóvenes Investigadores y un contrato Ramón y Cajal, estableciendo su grupo de investigación en el Instituto de Biocomputación y Física de sistemas complejos (BIFI, Universidad de Zaragoza). Su investigación se centra en entender la estructura y función de receptores neuronales y su modulación por fármacos. En este campo Javier posee contribuciones importantes en el estudio de receptores de glutamato AMPA y receptores acoplados a proteínas G (GPCRs) (Science 2016, eLife 2018, Nature 2018, Science 2019, Nature 2020, etc..). Para más información: https://sites.google.com/view/signal-transduction-lab/homepage.