Premio Nobel de Fisiología o Medicina 2012 — Gurdon y Yamanaka: descubren cómo revertir células maduras
Lo que aprenderás con este artículo
El Premio Nobel de Fisiología o Medicina de 2012 fue otorgado a dos científicos cuyas pruebas decisivas demostraron que las células maduras pueden revertirse a un estado embrionario. John Gurdon, en Cambridge (Reino de Unido), demostró en 1962, mediante experimentos con ranas, que es posible lograr el desarrollo completo de un organismo si se trasplanta el núcleo de una célula adulta a un óvulo. Fue el pionero del experimento de transferencia nuclear de células somáticas y sentó las bases de la historia que más tarde llevaría a la oveja Dolly (1996). Cuarenta y cuatro años después, en 2006, Shinya Yamanaka, de la Universidad de Kioto (Japón), estableció un método para crear células madre pluripotentes inducidas (iPS cell) similares a las células madre embrionarias, introduciendo solo 4 genes (Oct4, Sox2, Klf4, c-Myc) en fibroblastos de ratón. Aunque los descubrimientos ocurrieron en épocas distintas, apuntan a la misma conclusión: la identidad celular es un estado reversible y el interruptor para cambiar ese estado reside en unos pocos factores de transcripción.
Una historia que desafía la intuición — La identidad celular no es un estado bloqueado, sino reversible
Durante gran parte del siglo XX, se aceptó como cierto el dogma de que "las células adultas ya han determinado su identidad y no pueden revertirse". Al inicio del desarrollo embrionario, las células embrionarias poseen pluripotencia, es decir, la capacidad de diferenciarse en cualquier tipo celular del cuerpo; sin embargo, a medida que el desarrollo avanza, cada célula se bloquea en una identidad tisular específica. Las células musculares cardíacas se convierten en células musculares cardíacas, las neuronas en neuronas y las células de la piel en células de la piel. Este bloqueo se consideraba una compilación irreversible.
Lo que revelaron Gurdon y Yamanaka fue una inversión fundamental de esta creencia: la identidad celular es un estado reversible y ese estado está determinado por la combinación de unos pocos factores de transcripción clave. Gurdon mostró que al transferir el núcleo completo de una célula al citoplasma de un óvulo, los factores de reprogramación del citoplasma pueden resetear ese núcleo a un estado embrionario. Cuarenta y cuatro años después, Yamanaka identificó la identidad de estos factores de reprogramación y los comprimió en solo cuatro genes, demostrando que es posible lograr la reprogramación sin cambiar todo el citoplasma de la célula, simplemente expresando estos cuatro genes dentro de ella.
Si lo expresamos en términos de ciencias de la computación (CS), esto equivale a un state cleanup seguido de un hot reboot. Las células adultas están bloqueadas en un estado específico, pero ese bloqueo no es más que una combinación de algunas marcas epigenéticas; si se ejecuta la subrutina de limpieza correcta, se puede inicializar el estado. Los cuatro factores de Yamanaka constituyen la configuración mínima de esta subrutina de limpieza. Cuando Oct4, Sox2, Klf4 y c-Myc se expresan conjuntamente dentro de la célula, las marcas epigenéticas se resetean y la célula se reinicia en un estado pluripotente.
El panorama de la época — La globalización del K-pop y la primera mujer presidenta
En 2012, Corea del Sur se situó en el centro de la escena cultural mundial. El 15 de julio se lanzó "Gangnam Style" de Psy, que acumuló un número explosivo de visitas en YouTube, liderando la ola de globalización del K-pop. En diciembre, superó los mil millones de visitas, convirtiéndose en el primer caso en la historia de YouTube, y la "danza del caballo" se replicó en plazas de diversas ciudades del mundo. Este video quedó registrado como un evento simbólico de la expansión de la cultura popular coreana desde Asia hacia el mundo a finales del siglo XX.
El 19 de diciembre, la candidata Park Geun-hye ganó las elecciones presidenciales. Fue la primera mujer presidenta de Corea del Sur y representó la reelección del poder conservador. Tras una reñida contienda contra el candidato Moon Jae-in, obtuvo un 51,6% de los votos, marcando la transición del final del mandato del gobierno de Lee Myung-bon hacia el primer año del gobierno de Park Geun-hye.
A nivel mundial, el 6 de noviembre, el presidente Obama fue reelegido tras derrotar al candidato republicano Mitt Romney. La guerra civil en Siria se intensificó, internacionalizando el conflicto entre los rebeldes y el gobierno de Assad; en Egipto, Morsi, de los Hermanos Musulmanes, se convirtió en el primer presidente elegido democráticamente, aunque fue derrocado por un golpe de Estado al año siguiente. El 6 de agosto, el rover Curiosity de la NASA aterrizó con éxito en el cráter Gale de Marte, abriendo una nueva etapa en la exploración marciana.
En el ámbito tecnológico, la guerra de patentes entre Samsung y Apple llegó a una resolución en los tribunales. El 24 de agosto, un jurado estadounidense dictaminó que Samsung había infringido las patentes de Apple y ordenó una indemnización de mil millones de dólares. Aunque la sentencia se ajustó en varias ocasiones, este fue el momento en que se resolvió simbólicamente el enfrentamiento directo entre los dos gigantes del mercado de smartphones.
En la comunidad científica, ocurrieron otros hitos importantes. En junio, se publicó en la revista Science el artículo de Doudna y Charpentier sobre CRISPR, inaugurando una nueva era en la edición genética. El impacto de este artículo culminaría con el Premio Nobel de Química ocho años después, en 2020. Ese mismo año, el Premio Nobel de Fisiología o Medicina abrió las puertas de la medicina regenerativa con las células iPS, mientras que CRISPR abrió las de la edición genética. Fue un momento en el que ambas corrientes convergieron para dar forma al gran panorama de la biotecnología del siglo XXI.
Narrativa de personajes — Dos descubrimientos con 44 años de diferencia: ranas y ratones
John Gurdon (1933~ ) nació en Dorking, Reino Unido. Existe una famosa anécdota sobre cómo obtuvo las calificaciones más bajas en biología en la escuela Eton. Se cuenta que conservó en su oficina durante toda su vida un informe de evaluación escrito por su profesor cuando tenía unos 15 años, en el que afirmaba: "No es realista que este estudiante sueñe con ser biólogo; carece de la capacidad para comprender las actividades de laboratorio". Esta historia incluso fue citada durante la ceremonia de entrega del Premio Nobel. A pesar de ello, ingresó en la Universidad de Oxford, donde se especializó en embriología, y estableció su propio laboratorio en Cambridge.
El experimento de Gurdon fue sorprendentemente simple. Utilizó la rana de uñas africana (Xenopus laevis). Tras extraer el núcleo de los óvulos no fecundados de esta rana, insertó en su lugar un núcleo extraído de células intestinales de renacuajos adultos. Sorprendentemente, algunos de estos óvulos reensamblados iniciaron un desarrollo normal y crecieron hasta convertirse en renacuajos completos. El artículo de 1962 demostró, mediante estos resultados, que el núcleo de una célula adulta aún conserva toda la información genética necesaria desde las etapas iniciales del desarrollo, y que la diferenciación celular no se debe a la pérdida de información genética, sino a cambios en la regulación de la expresión génica.
En aquel momento, este resultado no recibió gran atención. La mayor parte de la comunidad científica consideraba que se trataba de una observación excepcional, y tomó tiempo establecerse como una teoría seria del desarrollo. Sin embargo, en 1996, la oveja Dolly —nacida en Escocia y el primer clon de mamífero creado mediante la transferencia del núcleo de células mamarias de una oveja adulta a un óvulo— demostró que el principio de Gurdon también funcionaba en mamíferos. A principios del siglo XXI, la clonación se logró con éxito en diversas especies, como monos, perros, vacas y ratones. El descubrimiento de Gurdon vio confirmado su verdadero significado con un desfase de 40 años.
Shinya Yamanaka (1962~ ) nació en Osaka, Japón. Obtuvo el título de M.D. en la Universidad de Kobe y un doctorado en la Universidad de Osaka, y realizó su estancia postdoctoral en la UCSF de EE. UU. antes de regresar a Japón. Estableció sus propios laboratorios en la Universidad Tecnológica de Nara y en la Universidad de Kioto.
Su planteamiento del problema fue audaz: "Si existen factores de reprogramación en el citoplasma, ¿cuántos de ellos son realmente esenciales para dicha reprogramación? ¿Sería posible lograr la reprogramación introduciendo solo esos factores en la célula, sin necesidad de transferencia citoplasmática?"
Su enfoque fue el método directo de la genética. Seleccionó 24 genes candidatos que se expresaban con especial intensidad en células madre embrionarias. Introdujo estos genes en fibroblastos de ratón para observar si ocurría la reprogramación. Al introducir los 24 genes simultáneamente, aparecieron células similares a las reprogramadas; a partir de ahí, fue reduciendo los genes uno a uno y verificando si las células seguían apareciendo, hasta identificar los factores esenciales.
El artículo de Cell de 2006 publicó los resultados. Los factores esenciales eran solo 4: Oct4, Sox2, Klf4 y c-Myc. Al introducir estos cuatro genes en fibroblastos de ratón, las células se reprogramaron a un estado similar al de las células madre embrionarias, adquiriendo la capacidad de expresar marcadores de pluripotencia y diferenciarse en múltiples tejidos. Yamanaka denominó a estas células iPS (células madre pluripotentes inducidas). Al año siguiente, en 2007, logró crear células iPS humanas utilizando los mismos cuatro factores en fibroblastos humanos. Fue el momento en que se hizo posible generar, a partir de las células cutáneas de un individuo, células equivalentes a sus propias células madre embrionarias.
La velocidad del descubrimiento de los factores de Yamanaka fue asombrosa. Desde el descubrimiento del principio de Gurdon hasta la clonación de la oveja Dolly, solo pasaron 44 y 10 años respectivamente; en ese intervalo, Yamanaka identificó cuatro factores mediante una hipótesis audaz y un cribado sistemático. El Premio Nobel le llegó apenas seis años después de este descubrimiento, reconociendo tanto a Gurdon como a él, y dando nombre a todo el fenómeno de la reprogramación celular.
Logros clave — Subrutina de reinicialización de estado desde una perspectiva de CS
Si representamos la reprogramación celular como un pipeline, se vería así:
- Estado inicial: Las células adultas (por ejemplo, fibroblastos dérmicos) están bloqueadas en un estado de identidad específico. El perfil de expresión génica está ajustado a esa identidad y las marcas epigenéticas mantienen dicho estado.
- Introducción de factores de inicialización: Se introducen los genes de los cuatro factores de Yamanaka en la célula. Originalmente se insertaron en el genoma mediante retrovirus, pero posteriormente este método se mejoró debido a problemas de seguridad, por lo que hoy existen diversas alternativas.
- Transición de estado: A medida que los factores se expresan, se reorganizan múltiples programas de expresión génica dentro de la célula. Los genes de identidad originales se suprimen y se activan los genes de pluripotencia propios de las células madre embrionarias. Durante este proceso, las marcas epigenéticas también se reorganizan. Esta transición de estado tarda desde unos pocos días hasta varias semanas.
- Estabilización del estado iPS: Al cultivarlas bajo condiciones específicas, estas células reprogramadas establecen su capacidad de autorrenovación y crecen como líneas celulares iPS capaces de proliferar indefinidamente. Se encuentran en un estado muy similar al de las células madre embrionarias.
- Rediferenciación: Según sea necesario, las células iPS se diferencian en tipos celulares de tejidos específicos. Existen protocolos establecidos para la diferenciación hacia miocitos cardíacos, neuronas, hepatocitos, células pancreáticas, células sanguíneas y otros tejidos.
La esencia de este sistema es la redefinición de la identidad celular mediante una combinación de factores de transcripción clave. La identidad celular está determinada por unos pocos factores reguladores maestros; al cambiar estos factores, la identidad misma se transforma. Esto también abrió la posibilidad de la reprogramación directa —la conversión directa de una célula adulta a otra sin pasar por el estado iPS—, habiéndose establecido métodos para convertir directamente fibroblastos en neuronas, miocitos cardíacos y hepatocitos en ratones.
c-Myc es originalmente un oncogén. El hecho de que uno de los cuatro factores de Yamanaka fuera un oncogén representó un problema de seguridad inicial en la tecnología iPS, lo que derivó en el desarrollo de métodos para inducir la reprogramación con solo tres factores (sin c-Myc) o mediante la sustitución por otros factores. Aquí queda claramente demostrado que la potencia de la transición de estado conlleva, intrínsecamente, el riesgo de un fallo en la regulación.
También debemos señalar las limitaciones de esta analogía. Las células iPS no son completamente idénticas a las células madre embrionarias. Existe la memoria epigenética —el fenómeno por el cual las marcas de identidad de la célula original no se borran por completo y persisten algunas—, lo que genera un sutil sesgo en la capacidad de diferenciación de las células iPS. Las células iPS derivadas de cardiomiocitos originales se diferencian más fácilmente en cardiomiocitos, y las derivadas de hepatocitos originales se diferencian más fácilmente en hepatocitos. La observación de que no se trata de una reprogramación completa, sino parcial, se convirtió en un tema central de las investigaciones posteriores.
Por qué es importante: medicina regenerativa, modelos de enfermedad y medicina personalizada
En primer lugar, resuelve el problema de los recursos celulares en la medicina regenerativa. Las células madre embrionarias son una materia prima potencial para la medicina regenerativa, pero presentaban problemas éticos por el uso de embriones y problemas prácticas como el rechazo inmunológico tras el trasplante. Las células iPS resuelven ambos problemas simultáneamente. Al no utilizar embriones y crearse a partir de las propias células del paciente, teóricamente no hay rechazo inmune. En los últimos 15 años, los cardiomiocitos, las células retinianas y las células pancreáticas creadas a partir de células iPS han entrado en diversos ensayos clínicos. En particular, en Japón se inició en 2014 un estudio clínico para trasplantar células del epitelio pigmentario de la retina (RPE) derivadas de iPS a pacientes con degeneración macular asociada a la edad, y el Instituto de Investigación de Células iPS de la Universidad de Kioto, dirigido por el propio Yamanaka, está en el centro de este movimiento.
En segundo lugar, el surgimiento de modelos de enfermedad personalizados. Al crear células iPS a partir de células cutáneas de pacientes con enfermedades genéticas específicas y diferenciar estas células iPS en los tejidos donde se manifiesta la enfermedad, se puede observar el proceso patológico in vitro sobre el propio trasfondo genético del paciente. Mediante este método, se han creado neuronas de pacientes con Parkinson, neuronas de pacientes con Alzheimer y cardiomiocitos de pacientes con enfermedades cardíacas hereditarias, utilizándose para la investigación de los mecanismos de la enfermedad y el desarrollo de nuevos fármacos. Se ha abierto un nuevo eje: experimentos in vitro personalizados para cada paciente.
En tercer lugar, la combinación con la edición genética. Se está desarrollando un flujo de trabajo en el que se editan genes en células iPS mediante CRISPR para luego diferenciarlas en las células originales y devolverlas al paciente. Este enfoque ya ha entrado en ensayos clínicos para la anemia falciforme, ciertas inmunodeficiencias y la ceguera hereditaria. La gran corriente de la terapia génica y celular del siglo XXI se está construyendo sobre la base de las células iPS.
En cuarto lugar, la redefinición del concepto mismo de identidad celular. La comprensión de qué tan flexible es el estado de las células en los tejidos adultos ha cambiado significativamente. El trasfondo teórico de la investigación sobre la regeneración de tejidos adultos, como la regeneración cardíaca, hepática y nerviosa, se transforma aquí. Están surgiendo observaciones de que puede ocurrir una reprogramación parcial en el propio cuerpo bajo ciertas condiciones, lo que abre nuevos horizontes para la investigación del envejecimiento y la medicina de regeneración tisular.
Quinto, la posibilidad de revertir el envejecimiento. Los experimentos de los últimos años han demostrado que la expresión transitoria y parcial de los factores de Yamanaka puede permitir que las células y los tejidos recuperen parcialmente un estado más joven. En lugar de alcanzar el estado completo de iPS, se ha observado que la "reprogramación parcial", que se detiene en un punto intermedio, restaura diversos indicadores de las células envejecidas, y se ha reportado la mejora de fenotipos de envejecimiento prematuro en ratones. Aunque su aplicación en humanos aún está en fase experimental, esta tendencia está consolidando la perspectiva de considerar el envejecimiento mismo como un cambio de estado regulable.
El encuentro entre el boletín de calificaciones con las notas más bajas de un estudiante llamado Eaton y el audaz cribado de un cirujano ortopédico japonés estableció el nuevo concepto de la reversión de la identidad celular. Que este premio haya recaído sobre ambos, superando una brecha de 44 años, fue un momento que confirmó una vez más que el panorama general de la ciencia se forma con un ritmo mucho más pausado que los ritmos de la época.
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