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martes, 25 de octubre de 2011

Las ribozimas, moléculas terapéuticas en experimentación


Guillermo Aquino Jarquin

El dogma central de la biología molecular y el conocimiento de los flujos de información genética, desde el ADN hasta las proteínas, planteó el gran dilema de quién fue primero: ¿el huevo o la gallina? O lo que es lo mismo, ¿el ADN o las proteínas?

En un principio, no era posible pensar en un mundo de ácido desoxirribonucleico (ADN) sin proteínas, así como tampoco imaginar proteínas sin ADN; de modo que la respuesta al problema se encontraba en el ácido ribonucleico (ARN); es decir, el ADN contiene el código genético de las células, mientras que el ARN copia este código y lo pasa a las proteínas (enzimas) que, a su vez, son responsables de las reacciones celulares. Pero este ARN –particularmente, el ARN mensajero (ARNm)– debe sufrir algunas modificaciones antes de ser utilizado como molécula informativa para construir las proteínas.

La respuesta a una gran disyuntiva 

Fig.1 Clic en la imagen para ampliar
La razón es que el ADN contiene unas regiones llamadasintrones –que no contienen información para construir las proteínas–, las cuales están intercaladas en los fragmentos que contienen la información necesaria (exones). Durante el proceso de maduración de los ARNm, los intrones son cortados, además de ser eliminados y los exones se vuelven a unir hasta conformar una molécula con sentido; es decir, una secuencia de ARN capaz de generar una proteína funcional. Como cualquier reacción que tiene lugar en la célula, este proceso de maduración de las moléculas de ARN requiere la acción de las enzimas. Pero, en 1982, cuando Thomas Robert Cech, bioquímico y biólogo molecular estadounidense, estaba estudiando el proceso de maduración de un ARN en un organismo unicelular llamado Tetrahymena thermophila, descubrió –con sorpresa– que cuando colocaba una molécula de ARN mensajero no procesada en un tubo de ensayo, en ausencia de enzimas y de energia adicional, ésta era capaz de comenzar su proceso de maduración. Cech llegó a la conclusión de que el ARN se podía autoprocesar y se comportaba como una enzima, pues había catalizado la reacción por sí mismo (figura 1). Esta forma de un ARN con función enzimática fue denominada por Cech: ribozima.

Los descubrimientos de este investigador causaron escepticismo, puesto que él no consideraba uno de los principios de la biología molecular, según el cual sólo las enzimas actúan como catalizadores en las reacciones, con lo cual estaba cambiando el dogma de que todas las enzimas eran proteínas.

Fig.2 Clic en la imagen para ampliar
Cuando en 1983, el químico estadounidense de origen canadiense, Sidney Altman anunció unos descubrimientos similares, los científicos se dieron cuenta de que el ARN podía actuar como una enzima, además de mantener su papel como molécula necesaria para la formación de proteínas. Sin duda, el hallazgo de las ribozimas fortaleció la hipótesis del mundo de ARN que intenta descifrar el misterio del origen de la vida, lo que ha conducido a la idea de que esta génesis pudo deberse a la aparición de moléculas de ARN, del tipo ribozimas, capaces de contener la información genética y al mismo tiempo de actuar como catalizadoras, una –facultad, hasta entonces, considerada propia de las proteínas–. De esta manera, el mundo del ARN ofrece la respuesta a la gran disyuntiva de el huevo o la gallina, definiendo que una simple molécula no sólo es un depósito estático de la información genética, sino además funciona como un catalizador, que a su vez codifica para los catalizadores más modernos: las proteínas, las cuales pudieron haber evolucionado después. Actualmente, además de esta actividad de auto-corte, se ha observado algo muy interesante: que las ribozimas pueden reconocer otros ARN y cortarlos de forma específica (figura 2).

La importancia de las ribozimas

Fig.3 Clic en la imagen para ampliar
Desde el descubrimiento de las primeras moléculas de ARN con actividad catalítica, aparecieron en la naturaleza diversos procesos catalizados por los ARN, particularmente en virus, bacterias y plantas. Hoy en día se conocen al menos siete ribozimas naturales. Los ARN catalíticos más pequeños como las ribozimas cabeza de martillo (hammerhead) y la ribozima de tipo pasador (hairpin) son los más estudiados (figura 3). El reconocimiento de las ribozimas por su ARN blanco (aquel que se desea procesar) se da mediante interacciones específicas entre las bases nitrogenadas (A,G,C,T) de la ribozima y el blanco. El corte se realiza en los grupos fosfatos. En el ARN, los grupos fosfato son aquellos que conectan una ribosa (el azúcar presente en el ARN) con otra, de manera que al romper estos enlaces se interrumpen las largas cadenas que constituyen la estructura del ARN.

El potencial terapéutico de la ribozimas 

Fig.4 Clic en la imagen para ampliar
Debido a su capacidad de corte, estas enzimas de ARN se consideran como buenos candidatos para el desarrollo de nuevas alternativas terapéuticas, útiles para el tratamiento de enfermedades contra las cuales en la actualidad no se cuenta con una terapia eficaz, lo que incluye enfermedades tanto de origen viral como genético. Para ello, una de las estrategias para conseguir la desactivación específica de la expresión génica más atractiva –un proceso altamente específico en el cual un gen se enciende en un momento determinado y comienza la producción de su proteína– se realiza mediante el empleo de ácidos nucleicos catalíticos, como las ribozimas (figura 4). El uso de ribozimas como agentes terapéuticos, tiene una ventaja añadida y es que, a diferencia de otros fármacos sumamente agresivos y carentes de especificidad celular, las ribozimas tienen una gran especificidad porque se unen sólo a la secuencia de ARN sobre la cual se dirigen, sin la posibilidad de alterar otros blancos celulares. Con base en esto, actualmente se usan ribozimas para cortar especialmente diversos ARN; con lo cual se logra, por ejemplo:
  • Evitar la entrada del Virus de Inmunodeficiencia Humana tipo I (VIH-I) a las células inmunitarias.
  • Bloquear la infección por virus de hepatitis B y de hepatitis C.
  • Tratar cánceres de mama y colorrectal.
La aplicación de ribozimas pequeñas como la ribozima hairpin, ha tenido considerable interés para la terapia génica, la cual ha sido utilizada como poderosa herramienta para el apagado de genes.*

En el Laboratorio de Terapia Génica, dirigido por el Doctor Luis Marat Alvarez Salas, del Departamento de Genética y Biología Molecular, del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados (CINVESTAV), estamos utilizando este tipo de ribozimas como modelo para el desarrollo de ARN terapéuticos contra el cáncer cervical, el tipo de cáncer más común en mujeres mexicanas y que es responsable de la muerte de 12 mujeres diariamente. Una de las aproximaciones experimentales que hemos seguido ha sido la construcción de una ribozima hairpin R434 (figura 3) en un ambiente artificial (in vitro), que causa la destrucción del ARNm de los genes E6 y E7, del Virus del Papiloma Humano tipo 16 (VPH-16), el principal agente causante del cáncer cervico-uterino que, además, impide tanto el crecimiento de las células inmortalizadas (células que crecen indefinidamente) en presencia de este virus, como el crecimiento de tumores cervicales. Esta tecnología ha sido patentada en colaboración con el Dr. Joseph A. DiPaolo del Instituto Nacional de Salud (NIH), de los Estados Unidos, y se espera su evaluación en el ámbito clínico en nuestro país.

Lo anterior ha sido desarrollado como una estrategia adicional para el tratamiento de esta patología. A pesar de que existe una vacuna comercial contra el VPH-16, su distribución y aplicación en mujeres mexicanas se ve muy lejana, principalmente por el alto costo de la vacuna. Por otro lado, su efectividad radica en la prevención de la infección por el VPH-16 y no en el tratamiento del cáncer cervico-uterino; se trata de una vacuna preventiva y no curativa.

Es indiscutible que, en esta etapa, el compromiso de nuestro equipo de trabajo es consolidar el sistema de tratamiento, mediante el impulso de nuestras investigaciones a escala molecular, con especial énfasis en las ribozimas hairpin, ya que éstas han sido ampliamente estudiadas y se conoce su uso potencial en la terapia génica, al igual que su papel como herramienta terapéutica para este tipo de cáncer en particular.


* La terapia génica es un procedimiento que implica reemplazar, manipular o suplementar los genes no funcionales con genes que sí funcionan, para poder tratar así enfermedades.

Guillermo Aquino Jarquin es biólogo experimental por la Universidad Autónoma Metropolitana, unidad Iztapalapa y maestro en genética y biología molecular por el CINVESTAV, donde está por obtener el doctorado en ciencias. Actualmente, labora en el Laboratorio de Terapia Génica del Departamento de Genética y Biología Molecular, abocado a la evaluación del potencial de las ribozimas como un ácido nucleico terapéutico contra el cáncer cervicouterino.


Referencias

1. Cech T. R. “The chemistry of self-splicing RNA and RNA enzymes”. Science (1987), Jun 19;236 (4808):1532-9.

2. Alvarez Salas L. M. et.al. “Inhibition of HPV-16 E6/E7 immortalization of normal keratinocytes by hairpin ribozymes”. Proc. Natl. Acad. Sci. U S A. 1998 Feb 3;95(3):1189-94.

3. Barroso del Jesús, A. y Berzal-Herranz, A. “En busca de nuevos agentes antivirales: Ribozimas y estrategias de aplicación”. (2001), Virología, 8: 47-67.

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