Los científicos están analizando las proteínas sensibles
a la presión que permiten a las células detectar la tensión y la presión.
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En algunos animales, tres proteínas en forma de cuchilla juntas forman el canal Piezo1,
que ayuda a sus células a sentir el tacto. Imagen: David S. Goodsell |
El investigador Carsten Bönnemann recuerda haber
examinado a una adolescente en un hospital de Calgary, Canadá, en 2013. Como
neurólogo pediátrico, a menudo viajaba para evaluar casos desconcertantes. Pero
nunca había visto algo así.
Esta adolescente no parecía tener idea de dónde estaban
sus extremidades si apartaba la vista de ellas. Le faltaba la sensación de la
posición de su cuerpo en el espacio, una habilidad crucial conocida como
propiocepción.
El equipo de Bonnemann secuenció los genes de la adolescente
y los de otra niña con síntomas similares, y encontró mutaciones en un gen
llamado PIEZO2. El momento fue afortunado: solo unos años antes, los
investigadores que buscaban los mecanismos que las células usan para detectar
el tacto habían descubierto que este gen codificaba una proteína sensible a la
presión.
El descubrimiento de Piezo2 y una proteína relacionada,
Piezo1, fue un punto culminante en una búsqueda de décadas de los mecanismos
que controlan el sentido del tacto. Los Piezos son canales iónicos (puertas en
la membrana celular que permiten el paso de iones) que son sensibles a la
tensión.
El tacto subyace al funcionamiento de casi todos los
tejidos y tipos de células. Los organismos interpretan la fuerza para
comprender su mundo, disfrutar de una caricia y evitar estímulos dolorosos. En
el cuerpo, las células perciben el paso de la sangre, cómo el aire infla los
pulmones y la plenitud del estómago o la vejiga. La audición se basa en células
en el oído interno que detectan la fuerza de las ondas sonoras.
En la última década, el estudio de Piezos y otros canales
de iones mecanosensibles se ha intensificado. Se han publicado más de 300
artículos solo en Piezos en los últimos tres años. Una de las preguntas más
importantes es cómo las proteínas, situadas en la membrana celular, perciben y
responden a la fuerza. Mediante el uso de la microscopía crioelectrónica
(cryo-EM), los científicos han progresado en el descifrado de la estructura
extraña de tres palas de los canales piezoeléctricos, pero no se conseguía
descifrar el mecanismo completo. Los investigadores también están encontrando funciones
para los canales Piezos más allá del
tacto o la propiocepción. Por ejemplo, Piezos podría ayudar a explicar por qué
ciertas personas son resistentes a la malaria y quizás incluso por qué los
astronautas pierden densidad ósea mientras están en órbita. Los investigadores
ya están empezando a pensar en alterar las proteínas de detección de fuerza con
medicamentos para tratar, por ejemplo, el dolor crónico.
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El astronauta de la NASA Chris Cassidy trabaja en el avanzado
Dispositivo de Ejercicio Resistivo (aRED) de la Estación Espacial Internacional.
Las proteínas mecanosensibles ayudan a sentir la presión del peso corporal sobre los huesos,
pero su función disminuye sin la gravedad.
Los astronautas que viven en el espacio contrarrestan esto
con entrenamiento de resistencia. Imagen: JSC / NASA |
El
sentido del tacto
El tacto ha sido durante mucho tiempo un sentido
resbaladizo. Otros sentidos, como la vista o el gusto, se entienden mejor, según
el investigador Patapoutian: los fotones que llegan al ojo o los químicos que se infiltran en la
nariz y la lengua activan los receptores de una misma familia. Estos receptores
desencadenan la apertura de canales iónicos y permiten la entrada de iones
positivos. Eso despolariza la célula y convierte el estímulo en una señal
eléctrica que el cerebro puede decodificar.
Los científicos sospecharon que en el tacto, la
propiocepción y la audición, una proteína actúa como sensor de fuerza y como
canal de iones, porque en la audición, la señalización ocurre rápidamente, en
microsegundos. Pero la identidad de las proteínas de esas familias de canales sensoriales permanecía siendo una incógnita, al menos en los mamíferos. Los
investigadores habían encontrado algunos canales mecanosensibles en bacterias,
moscas de la fruta y gusanos nematodos.
Entonces el investigador Patapoutian y su colega Bertrand
Coste idearon un plan. Comenzarían con un tipo de célula de ratón que sabían
que eran capaces de transformar un pequeño toque con una pipeta en una
corriente eléctrica medible. Luego, Coste eliminaría los genes
candidatos del canal iónico, uno diferente en cada lote de células, y buscaría el
lote que, de repente, perdiera su sensibilidad al tacto. Coste comenzó
confiado, pensando que llevaría unos meses, tal vez incluso semanas, encontrar
un resultado positivo.
Pero costó la mayor parte de un año. Luego, poco antes de
finales de 2009, vio algo o, mejor dicho, nada. Coste hurgó con su pipeta, y la
célula no respondió. Debería haber eliminado un canal sensible a la fuerza.
Él y Patapoutian llamaron Piezo1 a este gen del ratón, de
la palabra griega que significa presión, y pronto identificaron a Piezo2. Más
tarde, el equipo vinculó Piezo2 directamente a la sensación táctil en las
neuronas sensoriales y en las células de la piel de los ratones.
Cuchillas ocultas
Los investigadores estaban entusiasmados con el
resultado, recuerda Goodman, particularmente porque las proteínas
piezoeléctricas, codificadas por este gen, eran muy grandes y complejas. Formadas
por más de 2,500 aminoácidos y con un
peso de 300 kilodaltons, la estructura de Piezo1 cruza la membrana celular un
récord de 38 veces. (A modo de comparación, las proteínas de mamíferos suelen
contener unos 500 aminoácidos).
Desafortunadamente, ese tamaño gigantesco obstaculizó a
los investigadores que intentaban responder las preguntas más candentes en el
campo Piezo: ¿cómo perciben la fuerza los canales? ¿Y cómo se abren y cierran?
Con las técnicas estructurales como la cristalografía de
rayos X y la espectroscopía de resonancia magnética nuclear los científicos se
esfuerzan para analizar proteínas grandes y complejas, según el
neurocientífico Bailong Xiao.
Afortunadamente, cuando Xiao estaba configurando su
laboratorio en 2013, otra opción para obtener estructuras de alta resolución
estaba disponible: la cryo-EM. Su grupo utilizó el método para describir la
primera estructura de Piezo1 en 2015, y desde entonces, se han obtenido varias
versiones de mayor resolución. En septiembre pasado, Xiao obtuvo una imagen de
Piezo2, que es similar a Piezo1 en tamaño y forma. La imagen de Xiao de Piezo2
era la vista más clara hasta el momento de los extremos de las tres cuchillas,
que se mueven y, por tanto, son difíciles de capturar para obtener una imagen
nítida.
Las imágenes fueron impactantes. Tres proteínas
piezoeléctricas se unen en un trímero que se extiende a ambos lados de la
membrana plasmática. Desde el poro central, tres brazos giran en espiral como
las palas de una hélice. Se curvan hacia arriba y hacia afuera, creando una muesca
profunda en la superficie de la célula.
Patapoutian y Xiao piensan que cuando una fuerza golpea
la membrana, las cuchillas mueven los "haces" de proteínas en el
interior del canal, que de alguna manera arrastran los poros para abrirlos. Para
MacKinnon, la forma inusual en que las cuchillas de Piezos fruncen la membrana
sugiere un mecanismo diferente: si un empuje o un tirón aumentan la tensión de
la membrana, el canal curvo podría aplanarse, abriendo el poro.
Las hipótesis aún no se pueden probar, porque los
investigadores han podido estudiar solo proteínas piezoeléctricas aisladas,
separadas de su membrana y en la conformación cerrada. Obtener una imagen de un Piezo abierto en una membrana debería
ayudar a los científicos a comprender sus secretos. Es necesario observarlo en
su entorno natural.
Varios laboratorios están tratando de observar un Piezo
abierto. El grupo de Patapoutian está utilizando un compuesto activador de
Piezo1 que llamó Yoda1 en honor al diminuto maestro Jedi que maneja la fuerza
en Star Wars. Patapoutian espera que con Yoda1 presente, Piezo1 pueda abrirse
para obtener una imagen. También está interesado en conectar proteínas
piezoeléctricas en membranas artificiales llamadas nanodiscos, lo que podría
ayudar a estabilizar la conformación abierta. Mientras tanto, Xiao está
trabajando con la tomografía crioelectrónica, que consiste en obtener imágenes
de la muestra en diferentes ángulos de inclinación, y podría ayudar a aclarar
la estructura en una membrana nativa o artificial.
Todavía hay más
En paralelo con los estudios estructurales, los
científicos están descubriendo que las proteínas piezoeléctricas tienen
diversos roles en nuestro cuerpo.
En 2014, el neurocientífico Alex Chesler, inspirado por
el descubrimiento de Coste, estaba creando ratones que carecían de Piezo2 para
investigar el papel del canal en el tacto. Entonces, un día, recibió un correo
electrónico de Bönnemann, que trabajaba en su edificio, sobre las adolescentes que
carecían de propiocepción.
Chesler no podía preguntar directamente a los ratones que
carecían de Piezo2 qué sentían, o más bien que no sentían, pero podía
preguntarle a las adolescentes.
Él y Bönnemann invitaron a las adolescentes a Bethesda
para evaluar su condición más ampliamente. Ambas chicas podrían compensar su
discapacidad notablemente bien, usando la visión para ayudarlas a caminar en línea
o tocar un objetivo. Pero con los ojos vendados, no lo conseguían. Del mismo
modo, podían sentir la vibración de un diapasón contra su piel porque podían
escucharlo. Pero si usaban auriculares con cancelación de ruido, no notaban la
vibración en absoluto.
Patapoutian encontró el mismo fenómeno en ratones: sin
Piezo2 en los nervios que inervan los músculos y los tendones, carecían de
propiocepción y se descoordinaban. Su equipo también encontró un papel para
Piezo2 en las neuronas sensibles al dolor en la alodinia, un tipo específico de
sensación de dolor en el que incluso una caricia suave se siente como un
pinchazo con agujas. Algunas personas con dolor neuropático experimentan esta
hipersensibilidad todo el tiempo.
Los ratones normalmente muestran alodinia cuando se les
inyecta capsaicina, la molécula picante que se encuentra en los pimientos
picantes, o después de una lesión nerviosa, pero no si les falta el gen Piezo2.
Chesler y Bönnemann también encontraron cambios similares en la percepción del
dolor entre las personas con mutaciones PIEZO2.
Tanto Patapoutian como Chesler están buscando compuestos
que bloqueen la actividad de Piezo2 en un sitio de dolor, sin interferir con
las otras funciones de la proteína en todo el cuerpo.
No solo las neuronas necesitan sentir el tacto; Casi
todas las células están sujetas a algún tipo de fuerza. Por ejemplo, los
glóbulos rojos, que se deforman para escurrirse a través de pequeños capilares.
Las mutaciones que hiperactivan Piezo1 hacen que las células sanguíneas se
marchiten, y pueden provocar anemia en personas con una condición rara conocida
como estomatocitosis hereditaria deshidratada.
Esas células sanguíneas deformadas le recordaron a
Patapoutian la anemia falciforme. La mutación del gen de células falciformes ha
persistido en muchas personas de ascendencia africana porque protege contra la
malaria, y Patapoutian se preguntó si las mutaciones PIEZO1 podrían hacer lo
mismo.
Si es así, debería haber una tasa relativamente alta de
tales mutaciones en personas de ascendencia africana. Las búsquedas en la base
de datos revelaron que Patapoutian tenía razón: de hecho, en la base de datos, una
variante particular de PIEZO1 apareció en un tercio de las personas con ascendencia
africana. Otro equipo de investigadores publicó que los portadores de esta
mutación PIEZO1 son resistentes a la malaria grave.
Piezo1 también tiene una función en la formación y
mantenimiento de huesos, según el trabajo del laboratorio de Xiao. Cuando su
equipo eliminó el gen Piezo1 en osteoblastos de ratón, las células que producen
los huesos, los animales crecieron más cortos y más delgados de lo normal. Los
huesos largos que soportan el peso corporal eran más ligeros, más delgados y
más débiles que en los ratones control.
Además, los ratones de tipo salvaje a los que se les mantenía
suspendidos parcialmente en el aire, por lo que no tenían que soportar su peso
corporal completo, mostraban niveles más bajos de expresión de Piezo1 y masa
ósea. Es un fenómeno muy parecido a lo que les sucede a las personas con
osteoporosis, los que están en cama y los astronautas y cosmonautas a bordo de
la Estación Espacial Internacional.
Puntos de presión
Los científicos interesados en la audición han estado
persiguiendo el canal relevante durante cuatro décadas. "Ha habido muchas
pistas falsas en el camino", dice Jeffrey Holt, neurocientífico "Ahora
creemos que tenemos un conocimiento bastante sólido".
La proteína del canal clave se llama TMC1. Cuando Holt
alteró los aminoácidos en TMC1, el procedimiento cambió la capacidad de las
células del oído interno para traducir señales mecánicas en eléctricas. Otro
informe mostró que el TMC1 purificado es capaz de crear un canal iónico
mecanosensible en burbujas membranosas artificiales. Sin embargo, la estructura
de TMC1 sigue siendo un misterio, porque la proteína ha sido difícil de
purificar en cantidades suficientes para obtener buenas imágenes de cryo-EM.
El equipo de Patapoutian, mientras tanto, está buscando
familias de canales completamente nuevas. En 2018, informó lo que creen que
podría ser el grupo más grande de canales activados mecánicamente. Conocían una
familia de proteínas que ayuda a las plantas a sentir la presión osmótica, las
proteínas OSCA, y razonaron que podrían sentir la fuerza de manera más general.
En las células renales humanas, los OSCA respondieron efectivamente al
estiramiento de la membrana celular.
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Estructura Cryo-EM de OSCA1.2.
Los canales OSCA son parientes cercanos de las proteínas piezoeléctricas
y detectan la presión osmótica en las células vegetales.
Imagen: Sebastian Jojoa-Cruz / Ward lab |
Los investigadores también sabían por estudios previos
que las proteínas OSCA estaban estrechamente relacionadas con otra familia de
proteínas en mamíferos, las proteínas TMEM63. Los canales TMEM63 de ratones,
humanos e incluso moscas de la fruta también respondieron al estiramiento, por
lo que las proteínas OSCA y TMEM63 forman una gran familia de sensores de
fuerza que es común a muchos seres vivos.
Los canales descubiertos hasta ahora no pueden explicar
todos los casos de mecano-sensibilidad celular. Más mecanosensores deben estar siendo
elusivos a las investigaciones. Y esos sensores probablemente tienen más funciones
de los que se conocen hoy. Por ahora, apenas se ha rascado la superficie.
Basado en: Nature 577,
158-160 (2020). doi: 10.1038/d41586-019-03955-w
