MIT researchers discovered that enzyme droplets enhance cellular reactions by optimizing conditions for kinases, crucial for signaling pathways. This insight could inform cancer drug development targeting overactive kinases.
En la última década, los biólogos han descubierto que una de las estrategias que utilizan las células para mantener su contenido organizado es un fenómeno conocido como separación de fases. Este proceso se asemeja a cómo el aceite forma gotas que flotan en una solución de vinagre. En el interior de las células, las proteínas pueden separarse en fases para formar gotas altamente concentradas que ayudan a mantener el orden celular. Un nuevo estudio realizado por investigadores del MIT ha demostrado que esta formación de gotas es crucial para controlar la función de una clase de enzimas llamadas kinasas.
Los investigadores hallaron que la condensación en gotas optimiza las condiciones bioquímicas necesarias para que las quinasas catalicen reacciones, permitiendo así activar más rápidamente las vías de señalización celular. En algunos casos, la formación de estas gotas puede incluso alterar qué reacciones llevan a cabo las quinasas.
“Muchos moléculas biológicas tienen esta propensión a separarse espontáneamente. Nos interesaba saber qué consecuencias tiene la formación de gotas por parte de estas quinasas en el contexto de la señalización”, comenta Lindsay Case, profesora asistente de biología en el MIT y autora principal del estudio. Comprender mejor cómo se forman estas gotas podría ayudar a los investigadores a diseñar medicamentos que apunten a las quinasas, algunas de las cuales pueden estar sobreactivas en células cancerosas.
Case subraya: “Entender la química de estos compartimentos y qué moléculas entran o no en ellos podría ayudarnos a diseñar fármacos que se localicen mejor en su objetivo”. Nicholas Lea, estudiante graduado del MIT, es el autor principal del artículo, publicado hoy en Cell Reports.
A lo largo de su carrera académica, Case ha investigado cómo la organización física de las moléculas dentro de las células afecta su función. Durante su etapa como postdoctorado, comenzó a estudiar cómo la separación de fases podría influir en una vía de señalización que permite a las células detectar cuándo están adheridas a su entorno y responder adecuadamente.
Algunas proteínas dentro de esta vía son quinasas, responsables de activar otras proteínas mediante la adición de grupos fosfato. Estas también pueden activarse a sí mismas mediante un proceso denominado autofosforilación. “Dentro de la célula, estas moléculas están encargadas de transmitir señales y sabemos que su organización cambia según esté presente o no cierta información”, explica Case. “Creemos que tener las moléculas correctas en el lugar correcto es crucial para que ocurra la bioquímica adecuada”.
La separación de fases es uno de los métodos utilizados por las células para lograr esta organización. Un ejemplo común se observa en un aderezo para ensaladas, donde el aceite forma gotas para minimizar el contacto con el vinagre acuoso. Las proteínas pueden separarse cuando están altamente concentradas, lo que les lleva a autoensamblarse en densas gotas flotantes dentro del citoplasma celular.
Case formuló la hipótesis de que esta separación podría ayudar a aumentar la actividad enzymática al reunir quinasas en alta densidad, facilitando así sus interacciones. En este estudio, Case y Lea se centraron en una quinasa llamada quinasa focal adhesiva (FAK), activada cuando las células se adhieren a su entorno y responsable de activar señales pro-crecimiento y pro-supervivencia. En células cancerosas, esta vía puede alterarse, permitiendo proliferación incluso cuando las células se desprenden.
Aunque los científicos ya sabían que cuando las células están adecuadamente adheridas, esa señal provoca acumulación de FAK en la membrana celular; el equipo del MIT replicó este efecto sobreexpresando FAK en células libres flotando sin estar adheridas. A pesar del entorno libre, la alta concentración provocó que FAK se separara en gotas activando así señales pro-crecimiento.
"Fue sorprendente descubrir que al condensar esta proteína en una gota se puede activar una vía señalizadora que debería estar apagada", señala Case. "Si la concentración es demasiado alta, siempre estamos generando estas gotas y señalizando independientemente del control receptor". Estos hallazgos sugieren que la sobreexpresión de FAK en células cancerosas puede llevar a separación fase y contribuir así al avance del cáncer y metástasis.
Los investigadores también estudiaron otras dos quinasas: Mst2 y Abl. Encontraron que también podían separarse al alcanzar altas concentraciones aumentando así su actividad. Mientras que la separación fase para FAK parece ocurrir solo en células cancerosas, Mst2 parece utilizarla como estrategia saludable para controlar una vía señalizadora llamada Hippo, promoviendo crecimiento y supervivencia celular.
Además, tanto Mst2 como Abl demostraron que esta separación podía llevarlas a fosforilar objetivos adicionales activando diferentes vías señaladoras. “No solo se acelera la fosforilación; los patrones resultantes son muy distintos entre lo ocurrido dentro y fuera del contexto gota”, concluye Case.
A medida que estos compartimentos se forman, atraen altas concentraciones de ATP, molécula utilizada por las quinasas como fuente fósforo debido a sus características estructurales positivas atrayendo ATP cargado negativamente.
A través un modelo basado en aprendizaje automático, los investigadores predijeron que aproximadamente 45% de 500 quinasas humanas podrían formar gotas similares a las observadas en este estudio; además serían más propensas a ser altamente cargadas positivamente facilitando reclutar ATP hacia ellas.
En futuras investigaciones, Case espera explorar cómo diseñar fármacos capaces imitar esa atracción del ATP hacia estas gotas celulares reduciendo efectos secundarios negativos asociados con tratamientos convencionales: “Al localizar medicamentos donde está su objetivo específico podríamos disminuir efectos no deseados al concentrar el fármaco junto al blanco deseado”, concluye Case.
Dicha investigación fue financiada por diversos organismos incluyendo un premio Searle Scholars Program Award y fondos federales estadounidenses entre otros.
La formación de gotas permite que las quinasas se concentren, optimizando las condiciones bioquímicas necesarias para catalizar reacciones. Esto no solo acelera la activación de vías de señalización celular, sino que también puede cambiar qué reacciones realizan las quinasas.
Entender cómo se forman estas gotas podría ayudar a diseñar fármacos que apunten a quinasas, especialmente aquellas que están sobreactivas en células cancerosas. Interferir con la capacidad de las quinasas para formar gotas podría ser una nueva estrategia en el desarrollo de tratamientos contra el cáncer.
Los investigadores también estudiaron las quinasas Mst2 y Abl, encontrando que pueden formar gotas a altas concentraciones, lo que aumenta su actividad. Esto sugiere que la fase de separación no solo ocurre en células cancerosas, sino que también puede ser un mecanismo utilizado por células sanas para controlar ciertas vías de señalización.