Premio Nobel de Fisiología o Medicina de 2002 — Brenner, Horvitz y Sulston revelan la gramática de la apoptosis mediante el gusano Caenorhabditis elegans

Lo que aprenderá con este artículo

El Premio Nobel de Fisiología o Medicina de 2002 fue otorgado a tres científicos que, utilizando como herramienta experimental al gusano Caenorhabditis elegans de apenas 1 mm de longitud e invisible a simple vista, identificaron el programa genético mediante el cual las células mueren exactamente según lo planeado; es decir, la apoptosis (muerte celular programada). Sydney Brenner estableció por primera vez a este gusano como organismo modelo; John Sulston cartografió completamente mediante microscopía el linaje celular de todo el cuerpo del gusano; y Robert Horvitz identificó, mediante cribado genético, los genes ced responsables de la muerte programada. Al combinarse estos descubrimidades, la apoptosis se interpretó con precisión como un protocolo de apagado elegante (graceful shutdown) de un SO, cuya lista de componentes condujo al descubrimiento de las caspasas y Bcl-2 humanas, sentando hoy las bases para el tratamiento de la leucemia, enfermedades neurodegenerativas y enfermedades autoinmunes.

Una historia contraria al sentido común — En el proceso de formación del cuerpo, las células que mueren son indispensables

La idea común de que "las células mueren cuando enferman o se lesionan" solo muestra la mitad de la verdad sobre la muerte celular. Más precisamente, incluso las células sanas y sin daños se suicidan en el momento previsto y de la manera prevista. La razón por la que desaparecen las membranas interdigitales entre los dedos, la razón por la que más de la mitad de las neuronas creadas inicialmente en el cerebro fetal desaparecen, y la razón por la que el sistema inmunitario elimina los linfocitos T que reaccionan contra autoantígenos para prevenir la autoinmunidad — todo ello se debe a la apoptosis, es decir, al programa de muerte celular autodirigida.

Esta muerte es limpia. A diferencia de la necrosis, donde la membrana celular se rompe y el contenido se derrama, la apoptosis permite que la célula organice sus propios fragmentos para que los macrófagos vecinos puedan retirarlos silenciosamente. Si lo trasladamos a un marco de CS, esto equivale a un apagado elegante (graceful shutdown): cerrar descriptores de archivo, vaciar cachés, liberar bloqueos, enviar una señal de terminación al proceso padre y eliminarse a sí mismo de la tabla de procesos; exactamente este es el orden en que actúa la célula.

El hecho de que el laboratorio donde se reveló por primera vez la lista de componentes de este programa fuera una placa de Petri de 1 mm de lado constituye uno de los giros más elegantes de las ciencias biológicas del siglo XX.

El panorama de la época — Entre los eventos del "Diablo Rojo" y el SARS

El año 2002 es recordado en Corea como el año del Mundial. Del 31 de mayo al 30 de junio, se llevó a cabo la Copa Mundial de forma conjunta entre Corea y Japón. La selección nacional de Corea, dirigida por el entrenador Hiddense, derrotó sucesivamente a Polonia, Estados Unidos, Portugal, Italia y España, logrando la histórica hazaña de alcanzar las semifinales por primera vez, mientras millones de "Diablos Rojos" se volcaron a la celebración desde la plaza del Ayuntamiento de Seúl hasta Gwangalli en Busan. En septiembre, las delegaciones de las dos Coreas entraron juntas en la ceremonia de apertura de los Juegos Asiáticos de Busan. El 19 de diciembre, en las elecciones presidenciales, el candidato Roh Moo-hyun fue elegido. Fue un evento simbólico en el que la campaña cibernética organizada por el club de fans de Internet "NoSaMo" condujo por primera vez a una victoria electoral.

El mundo se movía a un ritmo diferente. El 1 de enero comenzó la circulación física del euro, inaugurando una nueva era en la que 12 países de la UE utilizaban una única moneda para sus transacciones. Tras el 11 de septiembre, Estados Unidos intensificó las tensiones con Irak e inició la cuenta regresiva para la guerra, mientras que el expresidente Carter recibió el Premio Nobel de la Paz por sus logros, incluyendo su visita a Corea del Norte. Y en noviembre, se registró el primer caso de SARS (síndrome respiratorio agudo grave) en Guangzhou, China. El ensayo silencioso de la pandemia de coronavirus que sacudiría al mundo al año siguiente había comenzado, pero en aquel momento, el mundo desconocía su magnitud.

Las ciencias de la vida atravesaban la etapa de nacimiento del movimiento de ciencia abierta. Tras la publicación del borrador del genoma humano a principios de 2001, el equipo británico del genoma, liderado por John Sulston, defendió firmemente el principio de que "el genoma es un patrimonio común de la humanidad". Frente a los intentos de Celera Genomics, de Craig Venter, de patentar el genoma, Sulston mantuvo el principio de publicar los datos libremente en bases de datos públicas cada noche. Aunque el Comité Nobel otorgó el premio a los tres galardonados por el descubrimiento de la apoptosis, en el trasfondo también estaba el valor de la publicidad de la ciencia simbolizado por Sulston, propio de principios del siglo XXI.

Las ciencias de la vida en Corea comenzaron a participar en tiempo real en las tendencias internacionales durante este periodo. Se establecieron laboratorios de C. elegans en KAIST, la Universidad Nacional de Seúl y la Universidad Yonsei, y pocos años después se inició una era en la que artículos sobre la apoptosis con la participación de investigadores coreanos comenzaron a publicarse en revistas académicas internacionales.

Narrativa de personajes — El hombre que cedió el lugar de E. coli al gusano, el hombre frente al microscopio cada noche

Sydney Brenner (1927–2019) nació en Sudáfrica. Es famosa la anécdota de que, al nacer en una familia de inmigrantes judíos, utilizaba la biblioteca como su propio estudio durante su infancia. Estudió medicina y ciencias simultáneamente en la Universidad de Witwatersrand en Johannesburgo, obtuvo su doctorado en Oxford y luego se incorporó al Instituto de Biología Molecular del MRC en Cambridge. Allí, junto con Francis Crick, realizó el experimento de 1961 que demostró que el código genético consistía en unidades de tres bases (codones). Solo por este logro, ya era un candidato al Premio Nobel.

El gran cambio de Brenner fue una resolución tomada alrededor de 1963. "La era de E. coli está llegando a su fin, y ahora llega la era de tratar el desarrollo de los organismos multicelulares mediante la genética". Él estableció ciertas condiciones: el número de células debía ser pequeño para permitir el seguimiento de cada célula individual; el cuerpo debía ser transparente para que el interior fuera visible bajo el microscopio; la generación debía ser corta; los cruces genéticos debían ser fáciles; y debía poder conservarse congelado en un refrigerador. Había un gusano que cumplía con todas estas condiciones: el nematodo C. elegans. En un artículo de 1974, Brenner propuso al mundo utilizar este gusano como el E. coli de la biología multicelular, y en pocos años, decenas de laboratorios adoptaron este organismo. Brenner inauguró la era de la genética multicelular.

John Sulston (1942–2018) fue un químico británico que se unió al laboratorio de Brenner. Él asumió la tarea que otros no querían realizar: rastrear cada una de las células de un gusano adulto bajo el microscopio y registrar completamente en qué momento cada célula se originó de qué otra célula y qué le sucedió en qué momento. Desde finales de la década de 1970 hasta principios de la de 1980, pasó entre 10 y 12 horas al día sentado frente al microscopio observando gusanos vivos. El resultado fue un mapa asombroso. El cuerpo de un C. elegans adulto tiene exactamente 959 células somáticas, además de algunas células germinales. Y un descubrimiento sorprendente: de las 1090 células nacidas durante el proceso de desarrollo, exactamente 131 mueren por apoptosis en el momento y lugar previstos. Estas 131 muertes no eran un accidente, sino un programa. Más tarde, Sulston dirigiría el Proyecto Genoma Humano en el Reino Unido, desempeñando un papel decisivo en la preservación del genoma como un bien público, convirtiéndose en un símbolo de la ciencia abierta de finales del siglo XX.

Robert Horvitz (1947– ) nació en Chicago, EE. UU., obtuvo su licenciatura en el MIT y su doctorado en Harvard, y realizó su posdoctorado en el laboratorio de Brenner. Posteriormente, estableció su propio laboratorio como profesor en el MIT y planteó una nueva pregunta: "Debe haber genes responsables de esas 131 muertes programadas. ¿Qué sucede con los mutantes en los que esos genes están dañados?". Su estrategia de cribado era similar a la de Hartwell: seleccionar mutantes donde las células que debían morir por apoptosis sobrevivían, para así mapear los genes causantes. Los genes que encontró pertenecen a la familia ced (cell death abnormal).

• ced-3: Una proteasa (enzima proteolítica) que ejecuta la apoptosis. Ancestro evolutivo de la familia de las caspasas (caspase) en humanos.
• ced-4: Una proteína adaptadora que activa a ced-3. Homóloga a Apaf-1 en humanos.
• ced-9: Un freno que inhibe a ced-3/ced-4. Homóloga a los genes supresores de tumores de la familia Bcl-2 en humanos.

Con solo estos tres genes se explican los 131 tipos de muerte celular programada de C. elegans. Un resultado aún más sorprendente: los homólogos humanos de estos genes funcionaron correctamente al insertarlos en el gusano, y los genes del gusano funcionaron correctamente al insertarlos en células humanas; es decir, fueron compatibles y funcionales. Al igual que el ciclo celular, la apoptosis es un programa evolutivamente muy conservado.

Logro clave: el protocolo de apoptosis visto desde la perspectiva de CS

Si modelamos la apoptosis como un protocolo de software, se divide en tres capas:

• Capa de decisión (Decision layer): Evalúa integralmente si la célula debe optar por la muerte celular. Las entradas incluyen deficiencia de factores de crecimiento, daño persistente en el ADN, acumulación de proteínas mal plegadas, reconocimiento de autoantígenos y programas predeterminados según el momento del desarrollo.
• Capa de activación (Activation layer): Una vez tomada la decisión, se libera al inhibidor (ced-9/Bcl-2) y el adaptador (ced-4/Apaf-1) convoca a los ejecutores.
• Capa de ejecución (Execution layer): El ejecutor (ced-3/caspasa) corta decenas de proteínas diana dentro de la célula. La fragmentación del ADN, la reconstrucción de la membrana celular, la condensación del citoplasma y la fragmentación celular ocurren en un orden establecido.

La clave de este protocolo es la precisión. La capa de ejecución siempre existe en estado de espera dentro de la célula. Las caspasas existen como procaspasas (precursores) antes de activarse y no tienen actividad propia. Cuando llega la señal de activación, se cortan entre sí para convertirse en su forma activa; esta reacción se amplifica de forma explosiva, por lo que es irreversible. Es una estructura similar a cuando un hilo recibe una señal de muerte (kill signal): se ejecutan todas las rutinas de limpieza (cleanup) establecidas y el proceso termina completamente.

También es importante que los inhibidores y los ejecutores coexistan siempre en estado de equilibrio. La familia Bcl-2 se divide en inhibidores (ced-9) y promotores (adaptadores similares a ced-4), formando heterodímeros entre sí, y este equilibrio se inclina según el estado celular. En el momento en que el equilibrio se inclina hacia la ejecución, la membrana externa de las mitocondrias pierde su permeabilidad y el citocromo c se libera al citoplasma. El citocromo c se une al adaptador Apaf-1 para formar un complejo activo llamado apoptosoma, desde donde comienza la cascada de caspasas. Es una arquitectura similar a varios hilos que comparten un monitor y, cuando se cumplen ciertas condiciones, se activa un interruptor de seguridad (kill switch).

También debemos señalar las limitaciones de esta analogía. A diferencia de un proceso de software, las células reales poseen un periodo de gracia durante el cual el proceso puede revertirse tras haber iniciado la apoptosis. Aunque no es posible revertirlo una vez que se ha avanzado a las etapas posteriores de las caspasas, en las etapas iniciales la apoptosis puede cancelarse mediante la reactivación de los inhibidores o el suministro adicional de factores de crecimiento. Esta es una característica que no existe en los procesos de software puros. Las células están vivas incluso durante su muerte, poseyendo una zona gris entre la vida y la muerte.

¿Por qué es importante? — Desde la lista de componentes de un gusano hasta fármacos para humanos

Los descubrimientos de los tres galardonados se ramificaron en dos grandes corrientes: una hacia los tratamientos contra el cáncer y otra hacia la comprensión de las enfermedades neurodegenerativas.

El cáncer es una enfermedad de fallo en la apoptosis. Si las células tumorales dañadas por la radiación o la quimioterapia sobreviven sin morir, es porque necesariamente algún componente del programa apoptótico está dañado. La sobreexpresión de Bcl-2 es un caso representativo. En la leucemia linfocítica crónica (CLL), es común que Bcl-2 esté sobreexpresado, manteniendo el freno activado. De aquí surgió el fármaco venetoclax, un inhibidor de Bcl-2 de la clase de los miméticos BH3. Es una molécula pequeña que imita la unión entre Bcl-2 y los promotores de la apoptosis para liberar el freno. Tras su aprobación para CLL en 2016 y su expansión a la leucemia mieloide aguda en 2018, junto con la serie de inhibidores de CDK de Hartwell, constituye uno de los dos pilares de las terapias dirigidas contra el cáncer del siglo XXI.

En las enfermedades neurodegenerativas, el problema es la situación opuesta. La apoptosis excesiva de las neuronas en las enfermedades de Alzheimer, Parkinson y Huntington acelera la progresión de la patología. En esta dirección, el desarrollo de inhibidores de caspasas es muy activo. Sin embargo, la estrategia de inhibir la apoptosis en el sistema nervioso conlleva el riesgo de que las células cancerosas sobrevivan, por lo que la entrega de fármacos con especificidad tisular es la clave. Aunque este campo ha enfrentado varios fracasos clínicos durante los últimos 20 años, el principio de que la regulación de la apoptosis es un eje central de la neuroprotección permanece inalterable.

El poder de los organismos modelo es también un gran legado de esta historia. La metodología de la genética del desarrollo, que comenzó con C. elegans y se expandió a la mosca de la fruta, el pez cebra y el ratón, ha generado múltiples premios Nobel en las dos décadas siguientes. La interferencia de ARN (Nobel 2006, Fire y Mello) se descubrió en C. elegans; la autofagia (Nobel 2016, Ohsumi) obtuvo una base sólida gracias a experimentos con levadura y C. elegans; y los genes de los receptores olfativos (Nobel 2004, Axel y Buck) son un logro que hereda el espíritu de la genética de organismos modelo de Brenner.

El legado de John Sulston se encuentra en un plano distinto. El mapa de linaje celular que creó sigue siendo la primera ilustración en los libros de texto de biología del desarrollo. Sin embargo, su mayor legado fue la puesta en práctica del principio de ciencia abierta de que "el genoma es un patrimonio común de la humanidad". El hecho de que el Proyecto Genoma Humano publicara diariamente sus datos de forma gratuita en bases de datos públicas, incluso en medio de la competencia por patentes con Celera, se debió a que el equipo liderado por Sulston se mantuvo fiel a este principio. El poder descargar y estudiar los datos del genoma humano sin restricciones hoy en día es el resultado de ese esfuerzo.

Desde una perspectiva evolutiva, es aún más sorprendente. Los humanos y el nematodo C. elegans son dos linajes que divergieron de un ancestro común hace aproximadamente 600 millones de años. Sin embargo, en este mismo instante, los componentes de nuestras células que deciden y ejecutan la muerte celular —caspasas, Bcl-2 y Apaf-1— son homólogos evolutivos de los del gusano, y funcionan de forma similar si se intercambian. El programa que decide la vida y la muerte celular ya estaba establecido en la etapa temprana en que evolucionaron los organismos eucariotas multicelulares, y su estructura fundamental apenas ha cambiado desde entonces.

El hecho de que una historia que comenzó con un solo gusano de Brenner haya creado la gramática para comprender la muerte humana reafirma la antigua virtud de la ciencia: aprender lo grande a partir de lo pequeño. Si el final del primer siglo estuvo definido por el ciclo celular, el segundo año del nuevo siglo fue abierto por la muerte celular.

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