Antecedentes

Con el avance de las tecnologías de secuenciación genómica, se han descubierto numerosas variantes genéticas, pero identificar qué cambios bioquímicos provocan estas variantes en las células sigue siendo un desafío. Las investigaciones genómicas tradicionales se han centrado principalmente en cambios en los niveles de expresión de proteínas individuales o en la desestabilización de la estructura proteica debido a sustituciones de aminoácidos. Un ejemplo representativo es el enfoque que evaluaba de forma fragmentaria únicamente la pérdida de función (Loss-of-Function) al interpretar variantes asociadas a enfermedades.

Los fenómenos vitales en las células no se mantienen mediante la acción independiente de proteínas individuales, sino a través de una red compleja de interacciones proteína-proteína (PPI). La mayoría de las variantes genéticas, en lugar de destruir completamente la función proteica, tienden a ajustar finamente la afinidad de unión con proteínas socias específicas. Se ha señalado que es difícil esclarecer la acción biológica precisa de una variante sin medir con precisión los cambios en la fuerza de unión en la interfaz del complejo.

Los factores ambientales también aumentan la complejidad de estas interacciones. Los sistemas biológicos están constantemente expuestos a estímulos externos como la escasez de nutrientes, el choque térmico y el estrés osmótico. Una misma variante de aminoácido puede presentar patrones de unión completamente diferentes según el estado fisiológico. Debido a las limitaciones técnicas, los estudios que rastrean a gran escala el impacto cuantitativo de las variantes genéticas en la fuerza de unión de los complejos bajo diversas condiciones de perturbación ambiental han sido escasos.

Hallazgos clave

Los investigadores utilizaron la levadura de brotación (Saccharomyces cerevisiae) como organismo modelo para analizar la red multidimensional que conecta las variantes genéticas, las perturbaciones ambientales y la fuerza de unión proteica. Para medir la intensidad de la unión, se empleó la técnica de ensayo de complementación de fragmentos de proteínas (PCA). Esta herramienta molecular está diseñada para que, cuando dos proteínas se unen físicamente, los fragmentos de receptores previamente separados se recombinen y emitan una señal.

El equipo seleccionó 61 pares de proteínas con interacciones ya identificadas y construyó una biblioteca genotípica que abarca tanto variantes naturales como artificiales. Posteriormente, calcularon cuantitativamente los cambios en la fuerza de unión de cada par de proteínas bajo diversas condiciones ambientales, incluyendo el aumento de la temperatura de cultivo, la transición de fuentes de nutrientes y el tratamiento con factores de estrés químico.

Los resultados del análisis muestran claramente que el efecto de las variantes genéticas no es fijo. En una gran parte de los 61 pares de unión, el aumento o la disminución de la fuerza de unión debida a las variantes fluctuó drásticamente en función de las condiciones del medio de cultivo. Por ejemplo, una variante de una proteína metabólica específica, cuya diferencia de unión con el tipo silvestre era mínima (menos del 5%) en medio estándar, mostró una respuesta no lineal con una reducción de la fuerza de unión de más del 40% bajo condiciones de estrés térmico.

También se confirmó el efecto alostérico en el que las variantes situadas fuera de la interfaz de unión de la proteína perturban la afinidad de unión de forma remota al interactuar con el estrés ambiental. Esto significa que mutaciones clasificadas como variantes neutras por programas convencionales de predicción estructural pueden actuar como factores que impiden la formación de complejos en entornos de estrés específicos. Basándose en el conjunto de datos de unión recopilado, los investigadores lograron clasificar estadísticamente los grupos de unión variables, que responden sensiblemente al entorno, de los grupos de unión invariantes, que mantienen una unión estable a pesar de los cambios ambientales.

Significado y perspectivas

El hecho de integrar variables ambientales dinámicas en la afinidad de unión, superando el análisis estático de secuencias genómicas, amplía el alcance de la investigación en biología de sistemas. Esto demuestra que, al predecir la patogenicidad de las variantes en modelos de enfermedades, el entorno de estrés fisiológico al que se enfrenta la célula debe considerarse como un parámetro de entrada esencial. También se vislumbra su potencial como datos de entrenamiento clave para mejorar la precisión de los algoritmos computacionales de predicción de efectos de variantes.

Asimismo, proporciona un nuevo marco de análisis para la reclasificación de las variantes de significado incierto (VUS), uno de los grandes desafíos en el análisis del genoma humano. Esto se debe a que no puede descartarse la posibilidad de que las variantes derivadas de pacientes formen uniones anómalas únicamente en entornos metabólicos específicos de un tejido o en microambientes inflamatorios.

La expansión de la precisión al nivel de célula única y la aplicación a células de mamíferos son desafíos pendientes. Resta por verificar si los principios obtenidos de los 61 pares de proteínas de la levadura de brotación se aplican de manera uniforme a todo el interactoma humano, que involucra decenas de miles de proteínas. El desarrollo de una plataforma de cribado cuantitativo de próxima generación, capaz de reflejar la diversidad de las modificaciones postraduccionales (PTM) en tejidos de organismos superiores, se identifica como una tarea futura necesaria.