Premio Nobel de Fisiología o Medicina 2001 — Hartwell, Hunt y Nurse revelan el programador del ciclo celular

Lo que aprenderá al leer este texto

Comprenderá cómo los tres galardonados con el Premio Nobel de Fisiología o Medicina de 2001, Leland Hartwell, Tim Hunt y Paul Nurse, descubrieron el mecanismo interno, es decir, el principio de control del ciclo celular, que determina cuándo y cómo se divide una célula. Hartwell identificó los genes CDC en levadura, definiendo cada fase del ciclo mediante genes; Nurse demostró que uno de ellos, cdc2, es la CDK (quinasa dependiente de ciclina) evolutivamente conservada hasta los seres humanos; y Hunt descubrió la proteína señal ciclina en óvulos de erizo de mar, que activa y desactiva la CDK. Al unirse estos hallazgos, el ciclo celular se interpretó con precisión como un programador condicional de un núcleo de SO, y este mapa sentó las bases para los actuales inhibidores de CDK como el palbociclib y la terapia dirigida contra el cáncer.

Una historia contraria al sentido común — Las células no toman decisiones por sí mismas

La idea convencional de que "las células se dividen automáticamente cuando llega el momento" es solo parcialmente correcta. Esto se debe a que la realidad detrás de la expresión "cuando llega el momento" permaneció durante mucho tiempo difusa. Hasta mediados del siglo XX, existían observaciones descriptivas que dividían el ciclo celular en cuatro fases: G1 (crecimiento) → S (replicación del ADN) → G2 (preparación) → M (mitosis), pero la respuesta a nivel molecular de las siguientes tres preguntas permaneció como un misterio durante 30 años: ¿qué envía la señal para pasar de una fase a la siguiente?, ¿por qué algunas células se detienen mientras otras continúan dividiéndose?, y ¿en qué punto fallan las células cancerosas?

Podemos resumir los descubrimientos de los tres galardonados utilizando un marco de ciencias de la computación: el ciclo celular no es un bucle de eventos autónomo, sino una tubería de ejecución (execution pipeline) gestionada por un programador condicional. Entre cada fase se sitúa un punto de control (assertion), y solo si se cumplen las condiciones se permite la ejecución de la siguiente fase. El demonio del núcleo que verifica estas condiciones es la CDK (quinasa dependiente de ciclina), la señal de evento que activa la verificación es la ciclina, y el hecho de que ambos funcionen como un disparador de un solo uso (single-shot trigger) que se degrada automáticamente tras su uso para prevenir la hiperactividad, constituye el hilo conductor de esta historia.

Dentro de este marco, el cáncer adquiere una nueva perspectiva. Se adopta la visión de que el cáncer es más bien una enfermedad del programador que de los genes: las células cuyos puntos de control se han invalidado, cuyas ciclinas se han descontrolado o donde los inhibidores de CDK han desaparecido, continúan dividiéndose en un estado de "proceder con el despliegue a pesar de que la compilación ha fallado".

El panorama de la época — Un nuevo milenio, el mundo se sacudió y el Nobel cerró su propia era

En 2001, se hizo evidente la fractura entre los siglos XX y XXI. La Fundación Nobel, con motivo de su centenario (1901–2001), realizó un balance de su primer siglo, y la ceremonia de entrega de premios se celebró en Estocolmo con una solemnidad especial. La serie, que comenzó con la primera entrega (el premio de 1901 a Bering), alcanzó exactamente su centésima edición.

El 11 de septiembre, las Torres Gemelas del World Trade Center de Nueva York se derrumbaron. Estados Unidos, que había celebrado el "fin de la historia" tras la Guerra Fría a finales del siglo XX, se enfrentó al inicio de una era totalmente distinta en el primer año del siglo XXI. La guerra de Afganistán comenzó de inmediato, y el presupuesto de defensa biológica de los Institutos Nacionales de la Salud (NIH) de EE. UU. empezó a aumentar drásticamente. Esta tendencia, combinada años después con la crisis del SARS, condujo a una transformación fundamental en la investigación de enfermedades infecciosas. El ambiente en Estocolmo, donde se celebró la ceremonia de entrega de premios en diciembre, era más pesado que unos meses antes, en este contexto.

La ciencia avanzó hacia su punto álgido siguiendo un ritmo propio. El 15 y 16 de febrero, Nature y Science publicaron simultáneamente el borrador del Proyecto Genoma Humano. Por primera vez se imprimió el mapa de los 3.000 millones de pares de bases, y los investigadores vislumbraron un nuevo horizonte: "Ahora que conocemos todos los genes, lo que queda es su función". La investigación del ciclo celular adquirió en este momento un significado especial. Los controladores del programa que garantizan la replicación y distribución seguras del genoma —es decir, las CDK y las ciclinas, el motor de ejecución que transmite realmente el mapa genómico entre generaciones— eran la clave.

Corea estaba atravesando su periodo de consolidación como potencia tecnológica. El 29 de marzo se inauguró el Aeropuerto Internacional de Incheon, y el gobierno de Kim Dae-jung impulsó políticas de fomento de la TI y la biotecnología, a pesar del agotamiento por las reformas en la segunda mitad de su mandato. La crisis de Hynix se intensificó, dando inicio a la reestructuración de la industria de semiconductores, y Daewoo Motor fue vendida a GM. Tras el auge de las startups, llegó un periodo de ajuste; sin embargo, en esta época, las ciencias de la vida en Corea se incorporaron, por primera vez y desde sus etapas iniciales, a la tendencia internacional del desarrollo de fármacos antitumorales dirigidos al ciclo celular. Fue en este periodo cuando los jóvenes biólogos celulares coreanos introdujeron en sus laboratorios los métodos de Hartwell y Nurse.

Narrativa de personajes: un mapa trazado por tres laboratorios de tres países

Los tres galardonados abordaron el problema desde diferentes países, con distintos organismos modelo y en distintos momentos. El hecho de que sus resultados convergieran en un único mapa es la parte más hermosa de esta historia.

Leland Hartwell (1939–) nació en Minnesota, Estados Unidos, obtuvo su doctorado en el MIT y desarrolló su carrera en el Fred Hutchinson Cancer Research Center de Seattle. Su estrategia consistió en aplicar el enfoque directo de la genética. Mediante la mutagénesis masiva de la levadura de panificación (Saccharomyces cerevisiae) —la misma que se usa para hacer pan y cerveza—, seleccionó cepas que se detenían en puntos específicos del ciclo celular. A 30 °C crecían normalmente, pero a 37 °C la división se detenía. Denominó a estas mutaciones de sensibilidad térmica como genes cdc (cell division cycle): cdc1, cdc2, cdc4, …, cdc28. Así, se trazó un mapa que indicaba qué decisión es responsable cada gen y en qué posición del ciclo ocurre. En particular, Hartwell introdujo el concepto de START: el punto al final de la fase G1 donde la célula toma la decisión final de "entrar en este ciclo".

Paul Nurse (1949–) nació en Norwich, Reino Unido. Su trayectoria académica fue inusual: tras suspender el examen de francés en la Norwich City Grammar School, lo que frustró su ingreso a Oxbridge, terminó estudiando biología en la Universidad de Birmingham. Se doctoró en la Universidad de East Anglia. Su herramienta de estudio fue otra levadura, la levadura de fisión (Schizosaccharomyces pombe). El nombre "pombe" proviene de una cerveza de la región de África Oriental donde se descubrió esta levadura. Nurse identificó el cdc2 y demostró que su función era sorprendentemente similar a la de cdc28 de Hartwell. El hito decisivo ocurrió en 1987: al encontrar un equivalente de cdc2 en el genoma humano e introducirlo en una cepa con deficiencia de cdc2 en la levadura de fisión, se restauró el ciclo celular normal. Esto demostró que los componentes de dos organismos que divergieron hace 1500 millones de años son completamente compatibles entre sí, probando que el control del ciclo celular es un principio evolutivamente muy conservado. Él fue quien dio a conocer al mundo la actual CDK1.

Tim Hunt (1943–) nació en Westminster, Reino Unido. Obtuvo su licenciatura y doctorado en la Universidad de Cambridge. El descubrimiento de Hunt fue una casualidad ocurrida en un curso de verano. Durante un curso de verano en el Instituto de Biología Marina de Woods Hole (MBL), mientras trabajaba con huevos de erizo de mar para experimentos de desarrollo embrionario, observó un fenómeno inusual. Al rastrear la síntesis de proteínas mediante aminoácidos marcados radiactivamente, descubrió que una proteína específica aumentaba drásticamente justo antes de la fase M del ciclo celular y se degradaba por completo al entrar en la fase M. En el siguiente ciclo, volvía a sintetizarse y degradarse. Hunt nombró a esta proteína de autodestrucción ciclina, derivado de la palabra "cíclica". Esto se publicó en un artículo de 1982. Más tarde se reveló que esta proteína era la pareja que activa la CDK, descubierta por Hartwell y Nurse. Sin ciclina, la CDK es como un demonio dormido; al unirse a la ciclina, se activa y emite la orden para ejecutar la siguiente etapa.

Los tres laboratorios inicialmente desconocían la existencia del otro. Las tradiciones académicas de América, Cambridge (Reino Unido) y Oxford-Londres (Reino Unido) hablaban cada una en su propio lenguaje, pero a finales de la década de 1980 sus resultados comenzaron a encajar. En los congresos se sucedieron los momentos de "¡tu cdc2 era el compañero de mi ciclina!", y durante la década de 1990 se completó la visión integrada del control del ciclo celular. El Comité Nobel, tras esperar la culminación de esta integración para otorgar el último Premio Nobel del siglo XX, concedió el premio a los tres en el primer año del nuevo siglo.

Logros clave — El planificador del ciclo celular visto desde un marco de CS

Si representamos el ciclo celular como un pipeline, se vería así:

• G1 (Growth 1): Etapa en la que la célula crece y acumula recursos. Una secuencia de carga que verifica los factores de crecimiento y el estado nutricional.
• S (Synthesis): Replicación del ADN. Una etapa de despliegue para duplicar todo el genoma.
• G2 (Growth 2): Una comprobación de salud para verificar daños y errores en el ADN replicado y prepararse para la mitosis.
• M (Mitosis): Mitosis. Un despacho que distribuye con precisión las dos copias de ADN y los componentes celulares a dos células hijas.

Entre estas cuatro etapas se encuentran tres puntos de control (assertion).

• Punto de control G1/S (Punto de restricción, START): "¿Es seguro entrar en este ciclo?" Verifica las señales de factores de crecimiento, la presencia de daños en el ADN y el estado nutricional. Si no se cumplen las condiciones, la célula entra en G0 (estado de reposo) o sufre apoptosis.
• Punto de control G2/M: "¿Ha concluido la replicación del ADN y está libre de daños?" Si la verificación falla, la célula no entra en mitosis, sino que espera o sufre apoptosis.
• Punto de control del ensamblaje del huso (SAC): Durante la mitosis, ¿se han adherido correctamente todos los cromosomas al huso mitótico?

El motor de ejecución de este pipeline es la CDK y la ciclina.

CDK es el demonio del planificador del núcleo. Siempre está presente dentro de la célula, pero en un estado latente sin actividad propia; requiere la unión de ciclinas para adquirir actividad de fosforilación y, así, fosforilar las proteínas necesarias para avanzar a la siguiente etapa, cambiando el estado. En humanos, existen varios tipos de CDK y de ciclinas, y cada combinación se encarga de etapas diferentes. Aproximadamente:

• Ciclina D + CDK4/6 → Progresión de G1
• Ciclina E + CDK2 → Transición G1/S
• Ciclina A + CDK2 → Mantenimiento de la fase S
• Ciclina B + CDK1 → Transición G2/M y ejecución de la mitosis

Las ciclinas son señales de eventos de autodestrucción. Se sintetizan de forma explosiva justo antes de cada etapa y se degradan mediante el etiquetado con ubiquitina simultáneamente con la entrada en dicha etapa. Esta autodestrucción es decisiva. Un disparador activado una vez debe apagarse por sí mismo para que el siguiente ciclo pueda reiniciarse en el momento preciso. Es el mismo principio que consumir un objeto de evento para evitar que los eventos del planificador se ejecuten repetidamente.

También debemos señalar las limitaciones de esta analogía. La célula real no es un planificador puramente determinista, sino un sistema con un componente estocástico considerable. Incluso dentro de un mismo tejido, algunas células superan el punto de control START y otras no. La concentración de factores de crecimiento, el tamaño celular, el estado metabólico y la inhibición por contacto con células vecinas son todas variables que participan de forma probabilística en la decisión. Es decir, el sistema CDK-ciclina es el motor que ejecuta la decisión, pero la decisión en sí misma es una función probabilística que acumula múltiples señales. La analogía del planificador del SO solo es precisa en cuanto al mecanismo de ejecución.

Por qué es importante: cáncer, envejecimiento y la gramática de la terapia dirigida

Una vez completado el mapa del control del ciclo celular, se reescribió la definición de cáncer. Un tumor no es tanto una enfermedad de los genes, sino una enfermedad del planificador. Aunque las causas son diversas (daño por radiación, sustancias químicas, virus, mutaciones genéticas), finalmente falla uno o más de los siguientes tres elementos:

• Inutilización de la aserción de los puntos de control (checkpoints): Debido a la pérdida del gen supresor de tumores p53, entre otros, las células que no deberían superar la inspección G1/S lo hacen. El p53 se observa en estado mutado en la mitad de los cánceres humanos.
• Descontrol de ciclinas-CDK: La sobreexpresión de la ciclina D o la amplificación de CDK4 provocan que el planificador ejecute continuamente la siguiente etapa, independientemente de las señales. Es un patrón común en el cáncer de mama y el melanoma.
• Bloqueo del circuito de apoptosis: El programa de muerte celular que debería activarse ante un fallo en la inspección se bloquea por la sobreexpresión de Bcl-2, entre otros. Es una gramática representativa en la leucemia.

Sobre este nuevo marco surgieron los fármacos dirigidos contra el cáncer del siglo XXI. El representante es el palbociclib —un inhibidor de CDK4/6. Este fármaco, aprobado por la FDA en 2015 por Pfizer para el tratamiento del cáncer de mama, demostró una eficacia sorprendente en el cáncer de mama con receptores hormonales positivos, donde el eje ciclina D-CDK4/6 está descontrolado. Le siguieron otros inhibidores de CDK, como el ribociclib y el abemaciclib, y hoy en día, compuestos de nueva generación que se dirigen a otras CDK, como CDK7 y CDK9, ya están en fase clínica. La lógica de todos estos fármacos se traza sobre el mapa de Hartwell, Nurse y Hunt.

El envejecimiento y la medicina regenerativa también están entrelazados con esta historia. El hecho de que el límite superior del número de divisiones celulares seguras (límite de Hayflick) esté determinado, en última instancia, por el control del ciclo celular y la gestión de los telómeros, condujo al Premio Nobel de 2009 (Blackburn, Greider y Szostak). Los factores de Yamanaka (Premio Nobel de 2012), que permiten crear células madre pluripotentes inducidas (iPS), restablecen el programador del ciclo celular a su estado inicial. Este premio de 2001 sirvió como raíz para varias historias del Nobel de la década siguiente.

Desde una perspectiva evolutiva, lo más sorprendente es la conservación. Los humanos y las levaduras son linajes distintos que divergieron hace aproximadamente 1500 millones de años, pero la CDK1, un componente clave del ciclo celular, funciona incluso si se intercambia entre ambas especies. Esto significa que este sistema se completó en una etapa muy temprana de la evolución de los eucariotas y que su estructura fundamental apenas ha cambiado desde entonces. En este mismo instante, cada segundo, los millones de células de nuestro cuerpo se dividen utilizando los mismos componentes que Hartwell y Nurse descubrieron en las levaduras. Pocos indicadores muestran con tanta precisión nuestra pertenencia a una rama del árbol de la vida terrestre como la lista de componentes del ciclo celular.

El hecho de que el primer Premio Nobel de Fisiología o Medicina del nuevo milenio se inaugurara con esta historia fue también un preludio de hacia dónde se dirigiría la biología del siglo XXI: de conocer cada molécula a diseñar y manipular programas. Tres personas abrieron esa puerta juntas.

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