Hace veinticinco años apareció un artículo titulado “Moonlighting proteins” en la revista TIBS. La portada de la revista mostraba sobre un fondo azul-negro, un gran disco lunar, una hilera de rascacielos más o menos iluminados por la luz de la luna, y en letras destacadas las dos palabras del título del artículo cuya autora era Constance J. Jeffery. No era una denominación que se hubiese empleado para algún tipo de proteínas y en el artículo no se define de entrada; la primera vez que se menciona es al final del primer párrafo en el que se lee a protein can be a key enzyme in glycolysis and then be found moonlighting outside the cell as a nerve growth factor. Moonlighting, realizar un trabajo adicional al ordinario, ya se usaba en Estados Unidos y quizá por eso no se explicitaba qué eran proteínas moonlighting. Dado que, en el momento de la escritura del presente artículo, una búsqueda en Google con aquellas palabras obtiene “aproximadamente 248.000 resultados en 0,31 segundos”, parece interesante definir ese concepto y hacer un recorrido sobre su marcha triunfal.
La definición aceptada actualmente de proteínas moonlighting es la siguiente: proteínas multifuncionales en las que un solo polipéptido realiza dos o más funciones bioquímicas o biofísicas diferentes; quedan excluidas del grupo proteínas multifuncionales que resulten de la fusión de genes inicialmente codificantes de distintas funciones, las originadas por splicing alternativo de un gen, o proteínas que realizan la misma función en distintos compartimientos subcelulares. Una posible traducción al castellano de proteínas moonlighting sería “proteínas pluriempleadas”; en este artículo mantendremos la denominación en inglés.
Históricamente, los primeros casos en los que se describieron dos actividades completamente distintas para una misma proteína fueron los de algunas proteínas del cristalino de aves y reptiles. A finales de la década de los ochenta del siglo pasado se publicó que la lactato deshidrogenasa o la argininosuccinato liasa, dos enzimas metabólicas, eran idénticas a las cristalinas. En uno de esos artículos figuraban en el título las palabras “gene sharing” y esta expresión se propuso para describir la situación en la que un determinado gen daba lugar a dos funciones completamente distintas. Sin embargo, al poner el énfasis en el gen, esta denominación no refleja la esencia de este fenómeno que es que una misma proteína realiza una diversidad de funciones. Esto, unido a que un gen puede originar proteínas distintas debido a la existencia de distinto sitio de iniciación, de traducción, de terminación, o de splicing alternativo, es lo que posiblemente ha llevado a que esta denominación no se haya impuesto. Las proteínas moonlighting se han descrito en numerosos organismos, desde arqueas hasta eucariotas multicelulares, y su importancia hizo que, hace diez años, la Biochemical Society británica les dedicara un “Focused meeting” titulado “The Biological and Biomedical Consequences of Protein Moonlighting”. La variedad de funciones adicionales a la función tenida por canónica es desconcertante: regulación de la transcripción, protección de DNA mitocondrial, ensamblaje de organelas, funciones estructurales, microautofagia, sensores, factores de virulencia, etc. Esa diversidad hace que se encuentren fenotipos inesperados o inexplicables en mutantes mendelianamente monogénicos y esto tiene gran importancia en clínica. Las funciones moonlighting también pueden incidir en el desarrollo de nuevos medicamentos, ya que la acción sobre una proteína puede afectar inesperadamente a una función moonlighting ignorada. Problemas parecidos pueden surgir al intentar modificar vías metabólicas en aplicaciones biotecnológicas; todo esto hace relevantes a las proteínas moonlighting en muy diversas áreas.
El atractivo del concepto moonlighting puede hacer que se tiendan a designar como proteínas moonlighting algunas que no lo son. Para tener seguridad son necesarios estudios mutacionales detallados; aunque una diferencia de fenotipos entre una mutación puntual y una deleción pueda ser indicativo, lo decisivo es obtener mutantes afectados independientemente en cada tipo de función sin afectar a la otra; algo que se ha logrado en un número de casos.
El crecimiento del número de proteínas moonlighting ha hecho que surgiesen bases de datos específicamente dedicadas a ellas; hay dos bases generales, Moonprot, anotada por el grupo de Jeffery en la Universidad de Illinois, y MultitaskProtDB, anotada por el grupo de Enric Querol en la Universidad Autónoma de Barcelona, y una dedicada a plantas. Son necesarias anotaciones cuidadosas para evitar que cualquier efecto pleiotrópico de una mutación se considere causado por una proteína moonlighting.
La mayoría de las funciones moonlighting se han descubierto por azar; sería de gran utilidad poder predecir ese tipo de función en proteínas; sin embargo, no es sencillo hacerlo. La simple comparación de secuencias de aminoácidos no es muy útil; p. ej., las cristalinas δ1 y δ2 de pato tienen más de un 90% de identidad, pero solo la δ2 posee actividad argininosuccinato liasa. Además, en muchos casos la función moonlighting no se conserva, así, por ejemplo, las piruvato carboxilasas de las levaduras Hansenula polimorpha y Saccharomyces cerevisiae presentan una identidad de secuencia aminoacídica del 77% pero solo la primera posee función moonlighting. Por ello se están desarrollando diversos abordajes informáticos, utilizando distintos criterios para la predicción como uso conjunto de redes de interacciones de proteínas y GO (gene ontology) o con adiciones de perfiles de expresión génica y filogenéticos. Los resultados son alentadores en algunos casos, pero todavía no se dispone de una herramienta generalmente aplicable.
¿Qué se ha aprendido en los veinticinco años desde la popularización del concepto de proteínas moonlighitng? ¿qué perspectivas se abren? Se ha aprendido que la cantidad de proteínas con actividad moonlighting es enorme; en una reciente revisión se contabilizaban unas setecientas, aunque, como ya apuntó Jeffery, esto solo es la punta del iceberg. Asimismo, se han descubierto nuevas funciones no canónicas y se ha demostrado que este grupo de proteínas está presente en organismos pertenecientes a todos los reinos biológicos También se ha visto que algunas proteínas, como la gliceraldehido-3-fosfato deshidrogenasa, poseen numerosas funciones moonlighting (Figura 1). Sobre esa proteína se ha escrito un libro titulado Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase. The quintessential moonlighting protein in normal cell function and in human disease.
En cuanto a perspectivas, quedan por aclarar interesantes aspectos de estas proteínas. Una pregunta importante es la de cómo surgen las proteínas moonlighting; y es el momento de hacer una consideración sobre cuál de las dos actividades de una de esas proteínas se considera la moonlighting. Usualmente se considera actividad principal o canónica la primera que se descubrió, pero eso puede ser discutible. En el caso de proteínas que participan en una vía metabólica, y además realizan otra función, la función canónica parece ser la metabólica, ya que esa está conservada entre organismos, mientras que la moonlighting no lo está. La adquisición de la nueva función requiere un delicado compromiso (trade off) en los cambios estructurales para no afectar severamente a la función principal. Hay que tener en cuenta que la aparición de una función moonlighting puede estar relacionada con la presencia o evolución del otro componente celular con el cual interactúa(rá) la nueva proteína. Un ejemplo de esto es el caso de la actividad moonlighting de la piruvato carboxilasa en ciertas especies de levaduras; la tiene en levaduras metilotróficas, pero no en otras especies y una piruvato carboxilasa heteróloga complementa un defecto metabólico en la especie metilotrófica, pero no complementa la función moonlighting; posiblemente porque no se ha topado en su historia con la proteína con la que interaccionar. No existen experimentos en los que se haya logrado describir la evolución de una de estas proteínas; el uso de la complementación de la función moonlighting por proteínas con la misma función canónica y gran identidad de secuencia amino acídica es una vía a explorar en esta área. Esto es algo que se podría abordar usando organismos para los que se dispongan de buenas herramientas genéticas y de biología molecular.
Entre las cuestiones pendientes está la de determinar cómo se regulan las distintas funciones de esas proteínas; algo todavía más complicado cuando cada función transcurre en un compartimento celular distinto.
Otra cuestión intrigante en esta dirección, también sin resultados hasta ahora, es la de si algunas proteínas, inicialmente moonlighting, han perdido esta función a lo largo de la evolución. Un posible caso de esto sería el de las proteínas IRP1 y IRP2 de mamíferos, implicadas en la homeostasis del hierro. Su estructura es muy parecida, pero solo IRP1 funciona como aconitasa citosólica. ¿Perdió IRP2 una actividad aconitasa inicial?
El mejorar las posibilidades de predicción de funciones moonlighting es otra de las tareas críticas para el futuro.
En este artículo hemos pretendido llamar la atención sobre un fenómeno biológico que a lo largo de los últimos años ha ido ganando en importancia a medida que se iban descubriendo nuevos casos de proteínas moonlighting y que, sin embargo, en algunos sectores de las ciencias biológicas, sigue siendo poco conocido; esperamos que lo expuesto haga penetrar la idea del fenómeno moonlighting más extensamente en el conocimiento bioquímico general. Se trata de un campo fecundo que continuará en expansión a medida que se añadan nuevos genomas a los ya conocidos; seguirán siendo decisivos experimentos en la poyata para tener la certeza de que una proteína es moonlighting.
