Las células madre embrionarias (ES, por sus siglas en inglés) han demostrado tener un gran potencial en la creación de células y tejidos de reemplazo para tratar diversas enfermedades. Pueden ser controladas para convertirlas en células especializadas que no son normalmente renovadas por el cuerpo (p. ej., neuronas que forman la mayor parte del cerebro) y que pueden ayudar en el tratamiento de condiciones como el infarto, en donde mueren las células cerebrales y no son normalmente reemplazadas. Ya que las células madre se pueden crecer en una placa de cultivo y transformarse en células especializadas, debe reconocerse su enorme potencial para aplicaciones médicas.
Gran parte del entusiasmo sobre las células madre embrionarias surge de sus vigorosas capacidades en dos procesos competitivos: proliferación y pluripotencialidad. Las células madre embrionarias se pueden dividir y auto-renovar indefinidamente. Tienen también la capacidad de convertirse en cualquier tipo de célula en el cuerpo, una característica conocida como pluripotencialidad. Sin embargo, una vez que una célula madre embrionaria se diferencia como una célula especializada, pierde su pluripotencialidad. El mecanismo exacto por el cual estas células mantienen su estado pluripotente (es decir, cómo permanecen como células madre en lugar de convertirse en células especializadas) no se entiende por completo. Es necesario entender en detalle los procesos fundamentales que conducen a las células madre a permanecer pluripotentes o diferenciadas para poder utilizar por completo la capacidad de las células madre.
Una beca Quantum financiada por el NIBIB está investigando estos procesos esenciales. La Dra. Karen Hirschi de la Facultad Baylor de Medicina, ha formado junto con múltiples socios un equipo internacional de investigadores de Baylor, la Universidad de Rice, el Instituto Nacional de Investigación Médica en Londres, la Facultad King’s de Londres, y la Universidad de Edinburgh, para mapear y regenerar el nicho de células madre de las regiones cerebrales que promueven la generación de nuevas neuronas.
Identificación de Ronin, la Proteína Samurai Ingobernable
Los científicos han identificado tres proteínas – Oct4, Nanog, y Sox2 – que juegan papeles críticos en el mantenimiento del estado de auto-renovación de las células madre embrionarias. Estas proteínas pluripotenciales son factores de transcripción, lo que significa que regulan el copiado de ADN a ARN – el primer paso en la creación de una proteína. Sin embargo, puede ser que existan otras proteínas que contribuyen a este gran plan de auto-renovación y diferenciación. “La pluripotencialidad es muy compleja”, explica Thomas Zwaka, Profesor Asistente de la Facultad Baylor de Medicina, “Oct4, Nanog, y Sox2 no son el final de la historia. Es necesario involucrar más proteínas y rutas para mantener este complejo estado”. Zwaka junto con sus colegas y colaboradores descubrieron recientemente otra proteína que juega un papel en el mantenimiento de la pluripotencialidad.
Los investigadores descubrieron anteriormente que la caspasa-3 – una de varias enzimas que regulan una forma de muerte celular conocida como apoptosis –también juega un papel en la diferenciación. Una observación más de cerca demostró que la caspasa-3 divide la Nanog, una de tres proteínas principales involucradas en mantener las células madre en su estado pluripotente (es decir, de auto-renovación). Cuando la Nanog se divide, las células madre detienen su auto-renovación y empiezan a diferenciarse. “El empalme de apoptosis y vías de diferenciación fue toda una sorpresa”, dice Zwaka. “Sin embargo, filosóficamente, se puede ver la muerte celular como una forma especializada de diferenciación ya que las células en el grupo de células madre pueden salirse del grupo ya sea por diferenciación o por muerte celular”.
Zwaka concluyó que la caspasa-3 podría regular también otras proteínas involucradas en mantener las células madre en un estado indiferenciado. Para investigar esta hipótesis, él y sus colegas buscaron proteínas que interactúan con la caspasa-3. Después de una serie de complicados experimentos de prueba, identificaron un factor nuevo de pluripotencialidad que actúa independientemente de los tres reguladores principales (Oct4, Nanog, y Sox2, anteriormente mencionados). “Después de años de trabajo, yo estaba muy emocionada de ver que nosotros descubrimos un nuevo personaje importante en la pluripotencialidad”, dijo Marion Dejosez, una científica en el laboratorio de Zwaka. Debido a que la proteína recién identificada no parece trabajar con ninguno de los tres reguladores principales de pluripotencialidad conocidos, los investigadores la nombraron Ronin inspirados en los guerreros samurai japoneses que no tienen gobernante.
Inhibición de la Diferenciación y Aplicaciones Médicas Potenciales
Los investigadores realizaron varios estudios para caracterizar a Ronin. Cuando Ronin era sobre-expresado (es decir, hecho en cantidades muy abundantes), las células ES fallaban en diferenciar y permanecían como células madre pluripotentes, aún bajo condiciones que normalmente promueven la diferenciación.
Ronin se expresa únicamente en óvulos, embriones en desarrollo, y algunas regiones del cerebro. Las células ES pueden causar tumores (teratocarcinomas) cuando se inyectan en tejidos adultos. Como es de esperarse para un factor pluripotente cuando es sobre-expresado, Ronin ocasionó que las células ES fueran capaces de provocar más tumores que las células ES de control, probablemente por generar una expansión del grupo de células madre. Zwaka deduce que, al juntarse estas dos, “Es posible que si se modula o bloquea la expresión de Ronin en las células cerebrales esto ayude a controlar el crecimiento del tumor”.
Ronin es esencial para la supervivencia de los embriones y las células madre embrionarias, la cuales no pueden sobrevivir si el gen Ronin es desactivado (noqueado). A pesar de que Ronin es un regulador transcripcional, probablemente su efecto en la expresión génica es más general que Oct4, Nanog, y Sox2, las cuales actúan suprimiendo genes específicos necesarios para la pluripotencialidad o la diferenciación. Por otro lado, Ronin reprime la transcripción de múltiples genes involucrados directa o indirectamente en la diferenciación. Zwaka y Dejosez están investigando si Ronin silencia la expresión génica al modificar histonas, las proteínas que forman el ADN y juegan un papel en la regulación génica. “Ya que Ronin es un regulador transcripcional, tal vez sea un buen objetivo terapéutico”, añade Dejosez. “Ronin es también una proteína poliglutamínica, la clase de proteínas que juegan un papel en enfermedades neurológicas, por lo que también estamos investigando actualmente ese aspecto de Ronin”.
El descubrimiento de Ronin revela una ruta nueva y distinta de Oct4, Nanog, y Sox2 que conserva la pluripotencialidad de las células ES. Los proyectos apoyados por el NIBIB responsables de este descubrimiento, al igual que otros proyectos, podrán utilizar en el futuro estos conocimientos acerca de Ronin al igual que otros factores de pluripotencialidad y transcripción en la reprogramación de células madre para convertirse en tipos de célula específicos, como los leucocitos, para tratar la leucemia y otras temidas enfermedades.
Referencias
Dejosez M, Krumenacker JS, Zitur LJ, Passeri M, Chu LF, Songyang Z, Thomson JA, Zwaka TP. Ronin is essential for embryogenesis and the pluripotency of mouse embryonic stem cells. Cell. 2008 Jun 27;133(7):1162–74.
Fujita J, Crane AM, Souza MK, Dejosez M, Kyba M, Flavell RA, Thomson JA, Zwaka TP. Caspase activity mediates the differentiation of embryonic stem cells. Cell Stem Cell. 2008 Jun 5;2(6):595–601.
Zwaka TP. Ronin and caspases in embryonic stem cells: a new perspective on regulation of the pluripotent state. Cold Spring Harb Symp Quant Biol. 2008 (In Press).