Premio Nobel de Fisiología o Medicina 2016 — Yoshinori Ohsumi descubre el sistema de autolimpieza celular

Lo que aprenderá al leer este artículo

El Premio Nobel de Fisiología o Medicina de 2016 fue otorgado en solitario a Yoshinori Ohsumi, del Instituto de Tecnología de Tokio, Japón, por descubrir el mapa genético del sistema mediante el cual las células digieren y descomponen sus propios componentes para reciclarlos: la autofagia. A principios de la década de 1990, Ohsumi realizó un cribado de mutantes con deficiencia en la autofagia en levadura, descubriendo el grupo de genes ATG (genes relacionados con la autofagia), y posteriormente demostró que estos genes están evolutivamente conservados hasta los seres humanos. La autofagia se activa frente al ayuno, el estrés oxidativo, las infecciones y los orgánulos dañados, descomponiendo proteínas viejas y orgánulos disfuncionales dentro de la célula. Dado que las alteraciones en este sistema están vinculadas a múltiples ejes como el cáncer, las enfermedades neurodegenerativas, las enfermedades autoinmunes y la diabetes tipo 2, la autofagia se convirtió en uno de los temas más candentes de la biología celular a principios del siglo XXI.

Una historia que contradice la sabiduría popular — Las células sobreviven comiéndose a sí mismas

La creencia común de que "las células producen proteínas para usarlas" solo ve la mitad de la imagen. Las células descomponen constantemente proteínas viejas y orgánulos dañados para reciclar sus componentes, manteniendo un estado saludable únicamente cuando se preserva el equilibrio entre esta descomposición y el reciclaje. Hasta finales del siglo XX, la degradación de proteínas en las células se comprendía principalmente a través del sistema ubiquitina-proteasoma, que consiste en marcar una proteína mal plegada para destruirla con precisión dentro del proteasoma. Sin embargo, aunque este sistema es útil para manejar proteínas individuales, no puede procesar orgánulos completos como las mitocondrias o el retículo endoplásmico.

La autofagia es el sistema encargado de esta limpieza a gran escala. La célula envuelve las partes viejas internas con una doble membrana, creando una zona aislada llamada autofagosoma, y luego fusiona esta zona con un lisosoma para proceder a la descomposición. Si lo trasladamos al marco conceptual de CS (Ciencia de la Computación), esto equivale a un sistema que crea una zona de barrido aislada y ejecuta un ciclo de recolección de basura (GC). Mientras que el sistema ubiquitina-proteasoma es similar a una eliminación precisa basada en conteo de referencias, la autofagia se asemeja más a un mark-and-sweep basado en generaciones. Aísla y barre por completo las partes viejas y dañadas, reutilizando los materiales obtenidos.

Aunque este sistema ha existido desde las primeras etapas de la evolución, la lista de sus componentes genéticos solo se reveló tras el descubrimiento de Ohsumi. El grupo de genes ATG que él identificó constituye la lista de componentes responsables de cada etapa de la autofagia: señal de inicio, formación de la doble membrana, expansión, sellado y fusión con el lisosoma. La mayoría de estos componentes están evolutivamente conservados desde la levadura hasta los humanos, y las alteraciones en varios de ellos se vinculan a diversas enfermedades humanas.

El panorama de la época — La plaza de las velas y la crisis política por el juicio político

En 2016, Corea del Sur entró en una crisis política tras la destitución de Park Geun-hye a partir de octubre. El escándalo de Choi Soon-sil estalló tras la publicación, el 9 de octubre, en JTBC, de información sobre una tableta, revelando indicios de la injerencia de personas cercanas a la presidenta en los asuntos de Estado, y unas 17 millones de personas participaron en manifestaciones con velas en todo el país, incluidas las de la plaza de Gwanghwamun. El 9 de diciembre, la moción de destitución fue aprobada en la Asamblea Nacional con 234 votos a favor, suspendiendo las funciones de la presidenta a la espera de la decisión del Tribunal Constitucional. Esta decisión se confirmó con la destitución el 10 de marzo del año siguiente.

En julio, se anunció la decisión de desplegar el THAAD (Sistema de Defensa Aérea Terminal de Alta Altitud), lo que provocó una fuerte oposición en la región de Seongju y represalias económicas por parte de China. El incidente de explosión de las baterías del Galaxy Note7 de Samsung Electronics se prolongó desde agosto hasta octubre, lo que llevó a una retirada mundial del producto y a la decisión de discontinuarlo, causando un gran daño a la reputación de la empresa.

A nivel mundial, se celebró la partida de Go entre Lee Sedol 9 dan y AlphaGo, que consistió en cinco partidas, del 9 al 15 de marzo, y AlphaGo ganó por 4:1. Fue el primer evento de gran repercusión que demostró la superación de los humanos por la inteligencia artificial en juegos cognitivos, y el momento en que el aprendizaje profundo se convirtió en un tema de interés general. En el referéndum del Brexit del 23 de junio, se decidió la salida del Reino Unido de la UE, lo que marcó un importante punto de inflexión en la política mundial. El 8 de noviembre, Donald Trump ganó las elecciones presidenciales de Estados Unidos al derrotar a Hillary Clinton, logrando una victoria inesperada e iniciando un período de gran inestabilidad en la política mundial. Los Juegos Olímpicos de Río de agosto se celebraron por primera vez en América del Sur, y la expansión mundial del virus del Zika se convirtió en un nuevo desafío para la respuesta a las enfermedades infecciosas emergentes.

En el ámbito científico, este premio formó parte de la tendencia de premios Nobel consecutivos para científicos japoneses, con Ohsumi como uno de ellos. Tras los premios de 2014 (Física: Akasaki, Amano y Nakamura, por el LED azul) y 2015 (Fisiología o Medicina: Ōmura, por la avermectina), el premio de 2016 a Ohsumi completó tres años consecutivos de premios Nobel de ciencias naturales para científicos japoneses, un momento en el que las políticas de inversión en ciencia básica de Japón atrajeron la atención internacional. En las entrevistas durante la ceremonia de entrega del premio, Ohsumi reiteró el mensaje de que "la ciencia básica, aunque pueda parecer que carece de utilidad práctica inmediata, es necesaria para la humanidad", lo que generó un gran impacto a nivel internacional como una voz que reafirmaba el valor de la investigación básica y fundamental frente a la presión por las reformas universitarias neoliberales.

Biografía — Cuarenta años de investigación sobre la autofagia en el laboratorio de levaduras

Yoshinori Ohsumi (1945~) nació en Fukuoka, Japón. Obtuvo su licenciatura y doctorado en la Universidad de Tokio, realizó tres años de investigación posdoctoral en la Universidad Rockefeller de EE. UU. (laboratorio de Gerard Edelman, ganador del Premio Nobel de 1972) y luego regresó a Japón. Estableció su propio laboratorio como profesor asistente en la Universidad de Tokio, y posteriormente se trasladó al Instituto Nacional de Biología Básica y a la Universidad de Tecnología de Tokio, dedicando toda su carrera a la investigación sobre la autofagia.

Osumi se sintió atraído por la autofagia en 1988, cuando comenzó su propio laboratorio en la Universidad de Tokio. Aunque el fenómeno de la autofagia ya se conocía desde la década de 1960, gracias a las observaciones con microscopía electrónica realizadas por el equipo de Christian de Duve (premio Nobel en 1974 por el descubrimiento de los lisosomas), el gen responsable de este proceso permaneció sin resolver durante 30 años.

El enfoque de Osumi fue directo. Utilizó la levadura de brotación (Saccharomyces cerevisiae) —la misma que Hartwell utilizó para su descubrimiento del ciclo celular en 2001—, sometida a mutagénesis masiva, y desarrolló un sistema de selección para identificar mutantes con autofagia defectuosa. El problema era que la autofagia tiene una actividad baja en condiciones normales, lo que dificultaba su observación. Osumi superó esta dificultad utilizando condiciones de inanición —medios de cultivo con deficiencia nutricional—, donde la autofagia se activa de forma explosiva. Al seleccionar mutantes que fallaban en este estado, pudo identificar los genes esenciales para la autofagia.

Otro método clave de observación se basó en la acumulación de autofagosomas. En levaduras deficientes en proteasas (enzimas que degradan proteínas), los autofagosomas llegan a los lisosomas pero no se degradan, acumulándose dentro de la célula. Esta acumulación alcanzaba un tamaño observable al microscopio óptico, lo que permitió a Osumi cuantificar la actividad de la autofagia mediante la presencia o ausencia de dicha acumulación.

Combinando estas dos herramientas, Osumi informó en 1993 los primeros 15 genes de levadura cuya mutación provocaba fallos en la autofagia. Los denominó genes APG (autophagy) y, posteriormente, se renombraron como ATG (autophagy-related) según la nomenclatura internacional establecida. Durante los siguientes 20 años, el laboratorio de Osumi y varios laboratorios colaboradores fueron dilucidando la función de cada uno de estos genes: cómo se forma la doble membrana del autofagosoma, qué componentes participan en cada etapa y cuáles son sus homólogos humanos.

La conexión humana decisiva llegó a principios de la década de 2000. Se confirmó que los genes ATG de la levadura están conservados evolutivamente desde la mosca de la fruta hasta el ratón y el humano, y se demostró que estos genes cumplen la misma función en la autofagia de las células humanas. Desde entonces, la investigación sobre la autofagia se expandió exponencialmente, y los más de 40 años de dedicación de Osumi a la investigación básica se convirtieron en una herramienta fundamental para comprender las enfermedades humanas. En el momento de recibir el premio Nobel, Osumi tenía 71 años y seguía investigando activamente; durante la ceremonia se citó su humilde mensaje: "aún queda mucho por descubrir sobre la autofagia".

Logros clave — El sistema GC celular visto desde el marco CS

Si representamos la vía básica de la autofagia, obtenemos lo siguiente:

• Activador (Trigger): Cuando el complejo mTOR, que supervisa el estado nutricional de la célula, se inhibe, se inicia la autofagia. Si hay suficientes aminoácidos, glucosa y factores de crecimiento, mTOR está activo y la autofagia se suprime; si estos escasean o el estrés oxidativo es intenso, mTOR se inhibe y la autofagia se activa.
• Inicio (Initiation): El complejo quinasa ULK1/2 comienza la formación del autofagosoma en puntos específicos del citoplasma. Este lugar suele estar cerca del retículo endoplásmico.
• Nucleación (Nucleation): El complejo PI3K, centrado en Beclin-1, crea la semilla inicial de la doble membrana.
• Elongación (Elongation): La proteína LC3 se une a la nueva doble membrana y la expande. La lipidación de LC3 es el indicador crítico de la maduración del autofagosoma y, por lo tanto, el marcador estándar actual para medir la actividad autofágica.
• Cierre (Closure): La doble membrana se cierra completamente, completando el autofagosoma que ha aislado una parte del citoplasma (proteínas viejas y orgánulos).
• Fusión y degradación (Fusion & degradation): El autofagosoma se fusiona con el lisosoma, y las proteasas, lipasas y nucleasas del lisosoma degradan el contenido aislado. Los aminoácidos, ácidos grasos y nucleótidos se liberan al citoplasma para su reutilización.

La esencia de este sistema es una arquitectura que crea un área de barrido aislada para ejecutar una recolección de basura (GC) masiva. A diferencia del sistema ubiquitina-proteasoma, que gestiona proteínas individuales mediante conteo de referencias, la autofagia barre completamente una región específica del citoplasma. Esto se asemeja sorprendentemente a una recolección de basura de marca y barrido (mark-and-sweep GC) que responde a la presión de memoria. mTOR actúa como heurística para supervisar los recursos disponibles; al detectar escasez de recursos, se inicia el ciclo de GC, y los materiales del área barrida se reutilizan.

La autofagia selectiva es una extensión de este sistema básico.

• Mitofagia: Elimina selectivamente solo las mitocondrias dañadas mediante autofagia. Proteínas específicas en la superficie mitocondrial (PINK1 y Parkin) detectan el daño y envían señales de direccionamiento.
• Reticulofagia: Cuando hay daño en el retículo endoplásmico, elimina selectivamente solo ciertas regiones.
• Xenofagia: Tiene como objetivo la autofagia de bacterias que han invadido la célula.
• Agreftofagia: Elimina selectivamente los agregados de proteínas mal plegadas.

Estas autofagias selectivas corresponden a una recolección de basura de barrido selectivo. Es un mecanismo que barre solo los objetivos marcados con señales de direccionamiento (como el marcado mitocondrial por PINK1).

También debemos señalar las limitaciones de esta analogía. La autofagia no es un sistema de recolección de basura (GC) puro, sino un sistema de doble propósito que también se encarga del reciclaje. El GC de software simplemente recupera la memoria y la devuelve a la lista libre, mientras que la autofagia recicla los materiales obtenidos mediante la descomposición (aminoácidos, ácidos grasos, nucleótidos) para que la célula los utilice en la síntesis de nuevas proteínas y orgánulos. Especialmente en condiciones de ayuno, la célula prioriza la asignación de los aminoácidos obtenidos por autofagia para la síntesis de proteínas esenciales, lo cual es una estrategia crítica para la supervivencia celular.

¿Por qué es importante: neurodegeneración, cáncer, envejecimiento y metabolismo?

En primer lugar, se ha convertido en un eje central para comprender las enfermedades neurodegenerativas. La característica común de la enfermedad de Parkinson, la enfermedad de Alzheimer y la enfermedad de Huntington es la acumulación de agregados proteicos mal plegados (cuerpos de Lewy de α-sinucleína de Parkinson, β-amiloide y tau de Alzheimer, agregados de poliglutamina de Huntington). Si la autofagia funciona correctamente, estos agregados se eliminan; pero si hay un defecto en la autofagia, se acumulan. El hecho de que los genes PINK1 y Parkin fueran identificados como las causas genéticas de la enfermedad de Parkinson hereditaria constituyó la evidencia clínica crítica de este eje, y los fármacos que promueven la autofagia se han consolidado como una gran dirección para el desarrollo de terapias neuroprotectoras.

En segundo lugar, la dualidad en la investigación del cáncer. La autofagia desempeña un papel complejo en el cáncer. En la formación temprana del tumor, la autofagia limpia las células dañadas y cumple una función de supresión tumoral; sin embargo, los tumores ya establecidos utilizan la autofagia como una estrategia de supervivencia propia. Esto se debe a que las células tumorales sometidas a estrés por tratamientos antitumorales obtienen recursos metabólicos mediante la autofagia para mantener su supervivencia. Debido a esta dualidad, no está claro si la activación o la inhibición de la autofagia es más beneficiosa para la terapia antitumoral, ya que depende del tipo de tumor y de la etapa del tratamiento, requiriéndose un enfoque dirigido. La hidroxicloroquina se utiliza como inhibidor de la autofagia en varios ensayos clínicos antitumorales.

En tercer lugar, un nuevo objetivo en la investigación del envejecimiento. Se ha confirmado en varias especies que la actividad de la autofagia disminuye con la edad, y se ha consolidado la perspectiva de que esta disminución es una fuente común de diversas patologías relacionadas con el envejecimiento (agregación proteica, deterioro de la función mitocondrial e inflamación). Se ha acumulado evidencia de que el ayuno intermitente, las dietas hipocalóricas y el ejercicio activan la autofagia, lo cual constituye una de las bases moleculares de los efectos retardadores del envejecimiento de estas intervenciones. La rapamicina —un inhibidor de mTOR, es decir, un activador de la autofagia— ha demostrado repetidamente la extensión de la vida útil en ratones, y se están realizando ensayos clínicos en humanos para mejorar los indicadores relacionados con el envejecimiento.

En cuarto lugar, la comprensión de la diabetes tipo 2 y el metabolismo. Cuando hay una deficiencia de autofagia en las células β del páncreas, se acumulan errores en la síntesis de insulina, lo que daña las células β y constituye uno de los ejes de la progresión de la diabetes tipo 2. También están aumentando las observaciones de que el defecto en la autofagia es un eje patológico en la esteatosis hepática y las enfermedades cardiovasculares.

Quinto, un nuevo punto de contacto con las enfermedades infecciosas. La xenofagia, que elimina las bacterias invasoras mediante autofagia, es una parte importante de la inmunidad innata. Varios factores de riesgo genético de la enfermedad de Crohn (inflamación intestinal crónica), como ATG16L1 e IRGM, son genes relacionados con la autofagia. Se ha establecido la idea de que un defecto en la autofagia frente a las bacterias intestinales es uno de los factores clave en la patogénesis de la enfermedad de Crohn.

Sexto, la reafirmación del valor de la ciencia básica. Ohsumi identificó los genes de autofagia en levaduras a principios de la década de 1990, mucho antes de que se confirmara su relación con las enfermedades humanas. Si esta investigación se hubiera iniciado bajo políticas de financiación que exigieran únicamente una utilidad inmediata, nunca habría recibido financiación. La defensa reiterada del valor de la ciencia básica en el discurso de Ohsumi al recibir el Premio Nobel sirvió de catalizador para que las universidades de todo el mundo a principios del siglo XXI reexaminaran el equilibrio entre la investigación básica y la aplicada, y se citó en los debates sobre las políticas científicas de varios países.

Los 40 años de experimentación de Ohsumi, que comenzaron en un medio de cultivo de levaduras, se han convertido en la raíz de una gran corriente que hoy impulsa el desarrollo de nuevos fármacos para la enfermedad de Parkinson, la comprensión molecular del ayuno intermitente e incluso los ensayos clínicos contra el envejecimiento con inhibidores de mTOR. La autofagia es un ciclo de limpieza silencioso que la célula realiza en cada momento de su vida, y ahora tenemos el control de la lista de sus genes.

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