A veces el profesor Carlos Menck bromea con sus alumnos, haciéndoles la siguiente pregunta: ¿Qué surgió primero: la molécula de ADN, portadora del material genético de los seres vivos, o el mecanismo de reparación del ADN? Cuestiones como ésta no solamente intrigan y divierten a este investigador del Instituto de Ciencias Biomédicas (ICB) de la Universidad de São Paulo. También lo han llevado a lograr avances conceptuales y aplicados. Lo han ayudado a dilucidar los mecanismos de supervivencia de la célula y, al mismo tiempo, le han mostrado formas de corregir defectos genéticos que surgen en algunas células cuando fallan los dispositivos de reparación – y, como resultado de ello, aparece el cáncer.
De todos estos hallazgos resultaron varios artículos recientes, publicados en revistas de alto impacto científico, y algo raro para un investigador brasileño: una invitación para escribir un comentario acerca de una investigación sobre genes de reparación realizada por un grupo holandés, que salió publicada en la edición de noviembre de Nature Genetics.
La molécula de ácido desoxirribonucleico contenida en el núcleo de todas las células vegetales y animales no es precisamente una de las más resistentes. A todo momento, cuando las células se multiplican de manera tal de permitir la sustitución de la piel quemada por el sol o el crecimiento de las hojas, el ADN puede romperse o ser copiado de una manera diferente que la de la receta original. Se altera también por la acción de la luz solar, por reacciones químicas o debido a cambios en el equilibrio químico del interior de la célula.
Pero, por suerte, existe un control de calidad riguroso: durante la replicación del ADN, algunas proteínas – las enzimas de reparación – verifican si la copia salió de acuerdo con el original, tal como un corrector ortográfico, que reemplaza las letras alteradas ni bien terminan de escribirse las palabras. Otras enzimas permanecen en alerta, haciendo las veces de obreros, para soldar el ADN en los puntos en los que se éste se rompe. Y no hay descanso. En el organismo humano, tan solo un tipo de lesión de ADN, generada por el propio calor del cuerpo, a 37º Celsius, ocurre alrededor de 10 mil veces por día en cada una de los casi 100 billones de células.
Valiéndose de uno de esos genes de reparación, Menck logró algo que anhelaba hacia 15 años: corregir la falla genética de las células retiradas de portadores de xeroderma pigmentosum (XP), un extraño tipo de cáncer de piel. Este tumor, más común en Japón y en el norte de África, afecta a alrededor de 100 personas en Brasil y obliga a sus portadores a evitar la exposición directa al sol y a utilizar gafas oscuras y ropas largas, para prevenir lesiones en la piel y en los ojos. De este modo, el equipo de la USP abrió un camino para la investigación de la terapia genética contra esa enfermedad – un abordaje inédito, pues nadie había logrado manipular el referido gen, también llamado XP a causa del problema que provoca -, utilizando un adenovirus.
Los descubrimientos del equipo de la USP pueden también facilitar el diagnóstico de la enfermedad y la caracterización más precisa de cada una de las ocho formas en las cuales la xeroderma se presenta – algunas con complicaciones neurológicas, tales como retraso mental y espasmos musculares. Melissa Armelini y Ricardo Leite, integrantes de ese grupo del ICB, trabajan para producir un análisis que permita diagnosticar la enfermedad con base en células extraídas de la sangre – una posible alternativa a la técnica de la biopsia, actualmente en uso, que consiste en el retiro de un fragmento de piel.
Por cierto, el hecho de facilitar el diagnóstico constituye un paso sumamente importante para prevenir el surgimiento de la enfermedad, según uno de los mayores especialistas en el tema, el investigador James Cleaver, de la Universidad de California, San Francisco, Estados Unidos, que en 1968 descubrió la causa de la enfermedad. Tras los relatos de los primeros casos, Cleaver verificó que la xeroderma pigmentosum aparecía cuando había un defecto en un gen de reparación – actualmente ya se sabe que ocho genes pueden fallar en combinaciones variadas y generar las diferentes formas de esta enfermedad.
Cuando sufren mutaciones, dichos genes se vuelven incapaces de arreglar los estragos que la luz ultravioleta del sol provoca al ADN. Como consecuencia de ello, sustancias químicas disparan una alerta roja y la célula se suicida, en un proceso de muerte celular programada llamada apoptosis – un recurso extremo, accionado en caso de peligro inminente. La apoptosis es también un proceso de limpieza esencial, pues evita que los errores se propaguen a las generaciones siguientes y se intensifiquen a punto tal de derivar en cáncer. En personas con xeroderma, la falla en la reparación aumenta a frecuencia de tumores de piel, en regiones expuestas a la luz solar.
Vectores virales
El equipo de Menck logró componer el ADN de un grupo de células in vitro, valiéndose de un adenovirus modificado, incapaz de replicarse en las células. El adenovirus funcionó como vector de dos genes que provocan formas distintas de la enfermedad, el XPA y el XPC, encontrados también en otros animales y en hongos. Como resultado de ello, entre el 90% y el 100% de las células infectadas con el adenovirus volvió a corregir el ADN lesionado por la luz ultravioleta del sol, mientras que apenas el 9% de las células no infectadas logró restablecer esa capacidad.
Estos resultados, descritos en la edición de octubre en la revista Human Gene Therapy, representan también un avance metodológico, pues fueron obtenidos con adenovirus, más eficientes que los vectores utilizados anteriormente: los retrovirus – hoy en día una elección secundaria también, ya que insertan su material genético en el genoma de las células y pueden reproducirse o activar genes que inducen la aparición del cáncer.
“Fuimos los primeros en producir un adenovirus que contuviera el gen XPA”, asegura Menck. “Cuando surgieron los primeros resultados, no creí en la eficiencia de esos vectores”. Con el tiempo, los investigadores lograron también agregar otros genes al material genético del virus. Trabajando en forma conjunta con Armando Moraes Ventura, del laboratorio de vectores virales del ICB, por ejemplo, hicieron que el virus cargara un gen suicida, que atrae hacia sí tipos específicos de medicamentos y, por lo tanto, puede usarse para eliminar células tumorales.
En enero próximo, Maria Carolina Marchetto, una investigadora del equipo, embarca con destino a la Universidad de Texas, Estados Unidos, con planes para realizar las primeras pruebas in vivo del uso de ese virus XP, en ratones con xeroderma pigmentosum. Si los virus logran proteger la piel de esos ratones de la luz ultravioleta, estará abierta la posibilidad de mejorar la vida de los pacientes que sufren esta enfermedad mediante la terapia genética.
Muerte controlada
El equipo de la USP realizó otro descubrimiento importante: bastan pequeñas dosis de la proteína XPA, producida a partir del gen del mismo nombre, para evitar que las células mueran cuando se las expone a la radiación ultravioleta. Es realmente una cantidad discreta, equivalente al 20% de la hallada normalmente en las células humanas. “Probablemente, la proteína es bastante estable y no se degrada fácilmente”, comenta Melissa. En un artículo publicado en marzo en Carcinogenesis, Alysson Muotri, del mismo equipo, demostró que la proteína XPA es segura y no afecta el funcionamiento de la célula, aun cuando es producida en cantidades elevadas -la llamada superexpresión, que se produce cuando el gen es transportado por los adenovirus.
Pero no debe pensarse que los resultados se aplican solamente a la xeroderma pigmentosum. En primer lugar porque existen otras enfermedades causadas por problemas en los mecanismos de reparación de ADN y, entendiendo una, se hace más fácil comprender las otras, incluso porque ahora ya ha sido razonablemente aclarado el papel de los genes XP: son probadamente esenciales para que la célula arregle el ADN lesionado y adquiera resistencia a la luz ultravioleta. Actúan también como protagonistas en varios mecanismos de compostura de ADN.
Asimismo, los estudios del laboratorio de reparación de ADN brindan soporte para investigaciones en otras áreas, pues revelan matices del funcionamiento de la apoptosis. En un artículo publicado también en octubre en Cell Death and Differentiation, Menck y Vanessa Chiganças, otra investigadora del ICB, asociaron – probablemente por primera vez – a la apoptosis con tipos de lesiones específicas del ADN. Los defectos provocados por la luz ultravioleta impiden la lectura correcta de esa molécula por parte de otra, el ARN (ácido ribonucleico), en las etapas preliminares del proceso de producción de las proteínas que forman cualquier ser vivo -y la célula que no consigue leer el ADN para transformarlo en ARN entra en un proceso de muerte celular. “Los genes XP son importantes en el proceso de señalización que lleva a la apoptosis”, dice Menck.
Protector solar
Los resultados que el equipo de Menck ha obtenido pueden también ayudar, aunque esto demore un poco, a las personas que tienen piel clara y sueñan con ir a la playa sin preocuparse con el sol. Al margen del XP, el equipo del ICB trabaja con el gen que contiene la receta de la producción de la fotoliasa, otra enzima que repara los daños causados al ADN por la luz ultravioleta. Es un gen común en bacterias, plantas, insectos y peces, pero raro entre los mamíferos: aparece únicamente en los marsupiales (mamíferos sin placenta), pero no en los placentarios, el grupo al cual pertenece la especie humana. “Un gen que no tenemos más resuelve un problema que aún tenemos”, dice Menck.
Según el investigador, el gen de la fotoliasa se perdió hace cerca de 170 millones de años en el genoma, durante el proceso evolutivo que llevaría a los seres humanos.Vanessa logró implantar un gen de fotoliasa retirado de un marsupial – un canguro ratón o ‘potoroo’ (Potorous tridactylus) – en células humanas normales. Luego expuso las células a una intensa irradiación de luz ultravioleta y posteriormente a la luz visible, para activar la fotoliasa. Pocas murieron, una indicación de que lograron un mecanismo extra para deshacer y evitar los daños causados por la radiación, de acuerdo con el informe publicado en mayo de 2000 en la prestigiosa revistaCancer Reseach .
Ahora el equipo de Menck se encuentra abocado a las etapas finales de la producción de un adenovirus que carga el gen de la fotoliasa. Si ese vector funciona en culturas de células in vitro, podrá probarse in vivo, infectando ratones de manera similar a la que utilizará Maria Carolina en Estados Unidos, con adenovirus y con genes XP. Los ratones podrían de esta forma adquirir una protección extra contra la radiación solar.
Aunque que no sea una tarea fácil, no parece imposible, pues los grupos de Jan Hoeijmakers y Gijsbertus van der Horst, de la Universidad Erasmus de Roterdam, Holanda, obtuvieron ratones transgénicos que producen la fotoliasa en las células del cuerpo entero, reforzando la capacidad del ADN de arreglarse – ése fue el trabajo que Menck analizó en dos páginas en Nature Genetics de noviembre. Con todo, en este caso no se trata de corregir una deficiencia genética, sino de reforzar un mecanismo de reparación de las células.
Al someter a los ratones transgénicos con el lomo depilado a dosis intensas de radiación ultravioleta y a la luz visible, los holandeses verificaron que los animales no desarrollaron heridas ni quemaduras en la piel, características en las personas inadvertidamente expuestas a una insolación intensa. En vista de estos resultados, cobra forma la idea de un protector solar a base de fotoliasa, que será usado en forma de crema, tanto por personas comunes – sobre todo aquéllas de piel clara, que sufren más en el verano – como por los portadores de xeroderma pigmentosum, que podrían de tal modo no tener que esconderse tanto del sol. Pero esto no sucederá tan rápido. Menck comenta con cautela: “Por ahora, yo me inclinaría por los protectores químicos, que siguen siendo más seguros”.
En un experimento más reciente, el grupo de Menck está utilizando los vectores adenovirus como estrategia para seguir paso a paso la compostura de la molécula de ADN. Los investigadores de la USP armaron un adenovirus con un gen de reparación (fotoliasa o XP) y le adicionaron una especie de cola, un gen que activa la producción de una proteína verde fluorescente: la GFP (del inglés Green Fluorescent Protein).
Con esta estructura, observan los genes, ahora verdes, migrando hacia el núcleo de la célula y poniendo el ADN en orden. Este método, más elegante y práctico que la técnica en uso, ya ha indicado que las proteínas XPA aparecen rápidamente, en menos de una hora, para arreglar el ADN – se sabe que la remoción de las lesiones tarda algunas horas. “Abrimos excelentes perspectivas de trabajo, porque esa técnica puede aplicarse a cualquier tipo de célula humana”, afirma Menck.
Los mecanismos de reparación de ADN que Menck estudia desde hace tanto tiempo son comunes a animales y plantas – a propósito, Keronninn de Lima, de su grupo, descubrió recientemente en la caña de azúcar el gen de una fotoliasa que actúa de manera diferente que todas las otras conocidas. Por ser sumamente bien conservados – casi inmutables -, los genes de reparación contienen informaciones preciosas sobre el origen y la diferenciación de los seres vivos.
Respondiendo ahora a la pregunta del inicio de este informe, Menck cree que los mecanismos de reparación del ADN surgieron antes incluso que el propio ADN, y prepararon las bases químicas para el surgimiento de la vida en el planeta, hace alrededor de 3,8 mil millones de años, a partir de la molécula de ARN. Según Menck, un ADN roto o incompleto no conseguiría ir muy lejos. Sería como un automóvil sin ruedas: difícilmente habría originado siquiera la primera célula de la Tierra primitiva.
El Proyecto
Reparación de ADN y Consecuencias Biológicas
MODALIDAD
Proyecto temático
COORDINADOR
Carlos Frederico Martins Menck – ICB/USP
INVERSIÓN
R$ 818.618,78
