Premio Nobel de Fisiología o Medicina de 1992 — Fischer y Krebs: un grupo fosfato enciende y apaga el interruptor celular

Lo que aprenderá al leer este artículo

Comprenderá el sorprendente hecho de que casi todas las reacciones de regulación celular se llevan a cabo mediante la unión y el desprendimiento de un solo grupo fosfato. Descubrirá cómo la fosforilación proteica reversible, revelada por Edmund Fischer y Edwin Krebs en la Universidad de Washington (Seattle) desde mediados de la década de 1950, es el lenguaje fundamental que regula procesos tan diversos como la contracción muscular, la regulación génica, la señalización celular, el crecimiento, la carcinogénesis y la respuesta inmune. Analizaremos la trayectoria de gran parte de los fármacos dirigidos contra el cáncer recetados hoy en día (como Gleevec, Herceptin y Osimertinib), que tienen como objetivo precisamente esta reacción de fosforilación.

Contra la intuición: el interruptor celular es un grupo fosfato

Dentro de la célula ocurren innumerables reacciones de regulación en tiempo real. Los músculos se contraen, los nervios se excitan, las hormonas transmiten señales, los genes se expresan y las células se dividen. Cada una de estas respuestas debe estar regulada por mecanismos precisos de encendido y apagado.

Lo que Fischer y Krebs revelaron es que gran parte de esta vasta regulación se realiza mediante un único lenguaje común. La unión o el desprendimiento de un solo grupo fosfato (-PO3^2-) en un aminoácido específico de una proteína (serina, treonina o tirosina) activa o desactiva la actividad de dicha proteína.

Fosforilación = reacción de unión del grupo fosfato; la enzima es una quinasa. Desfosforilación = reacción de desprendimiento del grupo fosfato; la enzima es una fosfatasa.

Esta reacción es reversible. Se enciende cuando es necesario y se apaga cuando deja de serlo. Además, es muy rápida, permitiendo una regulación a nivel de milisegundos. También es energéticamente eficiente, ya que al transferirse solo un grupo fosfato, se regula la actividad sin necesidad de grandes cambios estructurales.

El primer caso: la glucógeno fosforilasa. Fischer y Krebs descubrieron que la enzima que descompone el glucógeno (la forma de almacenamiento de energía) en el músculo existe en dos formas: una forma fosforilada activa y otra forma desfosforilada inactiva. Cuando el músculo necesita energía, esta enzima se fosforila y se activa, descomponiendo el glucógeno en glucosa. Así, la regulación de la contracción muscular se basa en el lenguaje de la fosforilaicón.

Tras este primer caso, durante las décadas siguientes se completó el panorama de que la regulación por fosforilación participa en casi todas las reacciones de regulación dentro de la célula. Hoy sabemos que el genoma humano contiene aproximadamente 500 genes de quinasas (cinoma), los cuales regulan la mayor parte de las actividades celulares. Aproximadamente el 1% del genoma está dedicado a estas reacciones de regulación.

En lenguaje de CS, este es un ejemplo perfecto de un conmutador de bandera de activación de función (flag toggle). Cada proteína en la célula es un objeto con una bandera de activación: la quinasa es setState(active=true) y la fosfatasa es setState(active=false). Una sola señal activa secuencialmente múltiples quinasas para crear una cascada, y en el extremo de dicha cascada, la expresión génica o el estado celular cambian.

Cascada de señalización = cadena de callbacks. Ejemplo: EGF se une a EGFR → autofosforilación de EGFR → activación del adaptador Grb2·SOS → activación de Ras → fosforilación de Raf → fosforilación de MEK → fosforilación de ERK → migración al núcleo para fosforilar factores de transcripción → expresión de genes específicos. Esto se asemeja sorprendentemente a la estructura que hoy utilizamos habitualmente en arquitecturas de microservicios como un pipeline de event broker → listener → handler → action.

Paisaje de la época — El nacimiento de la UE y el inicio del gobierno civil en Corea

1992 fue un punto de inflexión decisivo tanto para la política internacional como para la política coreana.

En la historia mundial, el 7 de febrero se firmó el Tratado de Maastricht — la transición de la Comunidad Europea (CE) a la creación de la Unión Europea (UE). El documento fundamental de la integración europea durante los siguientes 20 años. En junio, la Cumbre de la Tierra de Río — la mayor conferencia ambiental internacional de la historia, con la participación de 172 países. Sentó las bases para la Convención sobre el Cambio Climático y el Convenio sobre la Diversidad Biológica. Del 29 de abril al 4 de mayo, los disturbios de Los Ángeles — 55 muertos en protesta por el veredicto de Rodney King; una explosión simbólica del conflicto racial en EE. UU. El 3 de diciembre se envió el primer mensaje SMS — el inicio cuando el ingeniero británico Neil Papworth envió "Merry Christmas". La raíz de lo que serían los SMS y aplicaciones como KakaoTalk, LINE y WhatsApp.

En la historia de Corea, el Acuerdo Básico entre las Dos Coreas entró en vigor en febrero — el fruto de la política del norte del gobierno de Roh Tae-woo. El 18 de diciembre, Kim Young-sam fue elegido presidente — el inicio del gobierno civil tras 30 años. El fin práctico de la era militar. La primera transición hacia un líder puramente civil tras la línea de líderes militares o de origen militar que incluyó a Syngman Rhee, Park Chung-hee, Chun Doo-hwan y Roh Tae-woo.

En la historia tecnológica, el lanzamiento de Microsoft Windows 3.1 (abril), el procesador Intel 486DX2 a 66 MHz, la expansión inicial del chat IRC y el inicio del desarrollo del primer navegador web, Mosaic.

En este año de transición, el Comité Nobel reconoció a dos personas por desentrañar el lenguaje de regulación dentro de la célula. En un año en que la política transitaba hacia un nuevo sistema, se reconoció el lenguaje de regulación fundamental de los sistemas biológicos.

Edmund Fischer y Edwin Krebs: 40 años de colaboración en Seattle

Edmond H. Fischer (1920–2021) fue un bioquímico estadounidense. Obtuvo su doctorado en la Universidad de Ginebra en 1947 y fue profesor en la Universidad de Washington (Seattle) desde 1953, convirtiéndose en profesor emérito tras su jubilación en 1990. Nacido en Suiza, completó su trayectoria académica en Estados Unidos.

Edwin G. Krebs (1918–2009) fue un bioquímico estadounidense. Obtuvo su doctorado en Medicina en la Universidad de Washington (Seattle) en 1943 y fue profesor en la Universidad de California (Davis) y en la Universidad de Washington entre 1968 y 1991.

Ambos se conocieron en la Universidad de Washington (Seattle) y mantuvieron una colaboración de investigación que se extendió por más de 40 años. El inicio de su colaboración fue el descubrimiento, a mediados de la década de 1950, de la regulación por fosforilación de la glucógeno fosforilasa. Posteriormente, investigaron juntos diversas quinasas y fosfatasas.

Nota: No debe confundirse con el Sir Hans Krebs (Premio Nobel en 1953, descubridor del ciclo de TCA). Es una coincidencia que compartan el mismo apellido.

Descubrimiento clave: las dos formas de la glucógeno fosforilasa

En la época en que Fischer y Krebs se conocieron, se sabía que la enzima encargada de la degradación del glucógeno muscular existía en dos formas (a y b), pero la diferencia entre ambas era un misterio. La forma "a" era la activa y la "b" la inactiva. ¿Qué distinguía a la forma a de la b?

Entre 1955 y 1956, ambos abordaron este problema. Demostraron que la glucógeno fosforilasa a es la forma fosforilada y la b es la forma desfosforilada. Además, aislaron y caracterizaron la enzima que convierte la forma a en b (fosfatasa de la fosforilasa) y la que convierte la b en a (quinasa de la fosforilasa), logrando la primera demostración del sistema dual quinasa-fosfatasa.

Con el paso de las décadas, este principio se extendió ampliamente. Se descubrió que la mayoría de las vías de señalización que conocemos hoy operan mediante cascadas de fosforilación: proteína quinasa A (PKA), proteína quinasa C (PKC), quinasas CDK (ciclo celular), quinasas MAP (crecimiento celular), quinasas tirosina (receptores de factores de crecimiento) y JAK-STAT (señalización de citocinas).

Marco de CS: bandera de activación de funciones y cascadas

Reconstruir la fosforilación reversible mediante el lenguaje de la Ciencia de la Computación (CS) da como resultado lo siguiente:

Proteína = objeto función con una bandera de activación: Cada proteína posee una bandera (estado de fosforilación) que indica su estado de actividad. En estado activo, realiza su función normal; en estado inactivo, permanece en espera.

Quinasa = setter de activación: Añade un grupo fosfato a un aminoácido específico (serina, treonina o tirosina) de una proteína determinada, cambiando la bandera de activación a true. Cada quinasa posee su propia especificidad de sustrato.

Fosfatasa = reset de actividad: Elimina los grupos fosfato para cambiar el flag de actividad a false. Existe una proporción de aproximadamente 5:1 de quinasas respecto a las fosfatasas.

Cascada de señalización = cadena de callbacks: Señal extracelular (factores de crecimiento, hormonas, etc.) → activación del receptor → activación de adaptadores → activación secuencial de múltiples quinasas → activación del factor de transcripción terminal → cambio en la expresión génica. Estructura similar a una cadena de Promises.

Integración de señales paralelas = cambio de contexto: Una sola célula recibe e integra simultáneamente señales provenientes de múltiples cascadas de señalización. Cada cascada funciona de manera distinta según las condiciones y el estado celular. Esto es equivalente a múltiples fuentes de eventos ajustando el estado del sistema en paralelo.

Terapia dirigida = inhibición de quinasas específicas: La proliferación ilimitada de las células cancerosas ocurre a menudo porque una quinasa específica en la cascada de señalización de crecimiento permanece permanentemente en estado activo. Los fármacos que actúan sobre esto son los inhibidoras de quinasas (kinase inhibitors).

• Imatinib (Gleevec, 2001) — Inhibidor de la tirosina quinasa BCR-ABL, leucemia mieloide crónica
• Gefitinib (2003) · Erlotinib (2004) — Inhibidores de la tirosina quinasa EGFR, cáncer de pulmón
• Sorafenib (2005) · Sunitinib (2006) — Inhibidores de múltiples quinasas, cáncer de riñón y cáncer de hígado
• Palbociclib (2015) — Inhibidor de CDK4/6, cáncer de mama
• Osimertinib (2015) — Dirigido a la mutación de resistencia EGFR T790M, cáncer de pulmón

Regulación inmune = manipulación de fosfatos: La activación de las células T también se regula mediante múltiples reacciones de fosforilación. La ciclosporina inhibe la fosfatasa CN (calcineurina) de las células T, bloqueando la respuesta inmune.

Esta analogía no es completa. La señalización intracelular es estocástica y múltiples capas de regulación están entrelazadas para proporcionar una gran robustez. Es una red mucho más compleja que una simple cascada.

Impacto académico: la era del kinoma y los nuevos fármacos dirigidos

Tras este descubrimiento, la señalización celular, la oncología y la inmunología se reorganizaron fundamentalmente.

Era del kinoma: En la década de 2000 se descubrió que el genoma humano contiene aproximadamente 500 genes de quinasas. Se estableció el concepto de kinoma (kinome). Se mapearon detalladamente el objetivo y la función de cada quinasa.

Terapia dirigida: Desde el imatinib en 2001, la FDA ha aprobado cerca de 100 inhibidores de quinasas en los últimos 20 años. Gran parte de los fármacos antitumorales prescritos hoy pertenecen a este linaje. La primera aprobación, el imatinib, mejoró drásticamente la tasa de supervivencia a 5 años de la leucemia mieloide crónica del 30% al 90%.

Tratamiento de enfermedades autoinmunes: Los inhibidores de JAK (tofacitinib, baricitinib, etc.) se utilizan para tratar la artritis reumatoide, la dermatitis atópica y la colitis ulcerosa, mediante la inhibición de la vía de fosforilación JAK-STAT.

Diagnóstico médico: Las pruebas de actividad de quinasas se han estandarizado para el diagnóstico tumoral, la predicción del pronóstico y la predicción de la respuesta al tratamiento. El estado de HER2 en el cáncer de mama, el estado de EGFR en el cáncer de pulmón y el estado de BCR-ABL en la leucemia son la base para la decisión terapéutica.

Aplicaciones en neurociencia: La señalización neuronal, la plasticidad sináptica y la formación de la memoria se regulan mediante reacciones de fosforilación. La LTP (potenciación a largo plazo) requiere quinasas como la CaMKII.

El legado en Corea y la actualidad

El impacto de este legado en Corea es amplio. Desde finales de la década de 1990, la investigación sobre las reacciones de fosforilación ha sido muy activa en los laboratorios de bioquímica y biología celular de la SNU, Yonsei, KAIST y POSTECH.

Prescripción de inhibidores de quinasas en la práctica clínica — En hospitales como el SNU, Asan, Samsung Seoul y Yonsei Severance, la prescripción de fármacos antitumorales dirigidos como imatinib, osimertinib, palbociclib y nilotinib es el estándar. Las prescripciones se adaptan a los perfiles tumorales específicos de la población coreana (como las mutaciones activadoras de EGFR, que representan entre el 30 y el 40 %).

Desarrollo de inhibidores de quinasas propios, como Orastatin, por Hanmi Pharmaceutical — Un pilar del desarrollo de nuevos fármulas en Corea.

¿Por qué es importante?

Lo que estas dos personas dejaron fue el establecimiento de que "el lenguaje de la regulación celular es el interruptor de los grupos fosfato".

Un descubrimiento que reveló la gramática fundamental de la regulación celular. Sin comprender este lenguaje, ninguna de las áreas avanzadas actuales de la oncología, la inmunología o la neurociencia sería posible. Es un capítulo esencial en los libros de texto universitarios de biología.

El arquetipo de una colaboración de 40 años. Fischer y Krebs se conocieron en la Universidad de Washington (Seattle) y trabajaron juntos durante más de 40 años. El poder de una asociación que complementa las debilidades mutuas.

El concepto de que "un pequeño interruptor regula un gran sistema". En la célula, la unión y desunión de un solo grupo fosfato regula reacciones que van desde la contracción muscular hasta la expresión génica. La belleza del diseño de sistemas: controlar la máxima complejidad mediante un interruptor de unidad mínima.

Tras este premio, el flujo de la señalización celular continúa con:

• 1994 Gilman y Rodbell — Señalización de proteínas G
• 2000 Kohn, Greengard y Candell — Señalización del sistema nervioso
• 2004 Hartmut Michel et al. (en realidad, Premio Nobel de Química en 1988) — Estructura de los GPCR
• 2013 Rothman, Südhof y Schekman — Regulación del transporte intracelular

Aplicaciones clínicas e industriales de este descubrimiento:

• Fármacos antitumorales dirigidos por inhibidores de quinasas: Gleevec, Gefitinib, Osimertinib, Palbociclib, etc.
• Inhibidores de JAK: Tofacitinib, Baricitinib (enfermedades autoinmunes)
• Inmunosupresores: Ciclosporina, Tacrolimus (regulación de la fosforilación)
• Diagnóstico de la actividad de quinasas: Estándar para las pruebas de genes tumorales
• Herramientas de neurociencia: Investigación de la LTP y la formación de la memoria

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