Premio Nobel de Fisiología o Medicina 2019 — Kaelin, Ratcliffe y Semenza revelan el circuito de detección de oxígeno celular
Lo que aprenderá con este artículo
El Premio Nobel de Fisiología o Medicina de 2019 se otorgó a tres investigadores por descubrir cómo cada célula del cuerpo detecta en tiempo real la concentración de oxígeno y responde; es decir, el circuito de detección de hipoxia celular. Gregg Semenza, de la Universidad Johns Hopkins (EE. UU.), descubrió el factor de transcripción HIF-1 que induce la respuesta a la hipoxia; Peter Ratcliffe, de la Universidad de Oxford (Reino de Unido), demostró que el gen supresor de tumores VHL es responsable de la degradación de HIF-1α; y William Kaelin, del Instituto Dana-Farber (EE. UU.), reveló que la prolil hidroxilasa (PHD) actúa como sensor de oxígeno. La combinación de estos tres descubrimientos reveló la totalidad de un elegante bucle de retroalimentación en el que, ante la presencia de oxígeno, la proteína se degrada automáticamente y, ante su ausencia, se acumula para activar los genes de respuesta. Este circuito es la base para comprender el cáncer de riñón, la anemia, las enfermedades cardiovasculares, la adaptación a la gran altitud y el desarrollo fetal, y constituye el fundamento conceptual de fármacos como el roxadustat, un inhibidor de la PHD utilizado para tratar la anemia.
Una historia distinta al sentido común — Cada célula tiene su propio medidor de oxígeno
La idea convencional de que "los pulmones inhalan el oxígeno y la sangre lo transporta" es una visión a nivel sistémico. En realidad, cada célula individual detecta y responde en tiempo real a la cantidad de oxígeno que recibe. La identidad de este sistema de detección fue un misterio hasta finales del siglo XX, hasta que los tres galardonados completaron el circuito.
El principio fundamental es sorprendentemente elegante. El factor de transcripción HIF-1α se produce constantemente en la célula, pero bajo condiciones normales de oxígeno, se degrada de inmediato. Cuando hay oxígeno presente, la prolil hidroxilasa (PHD) consume oxígeno para hidroxilar un residuo específico de prolina en HIF-1α; la forma hidroxilada de HIF-1α es reconocida por la proteína de von Hippel-Lindau (pVHL), que la marca con ubiquitina para su degradación en el proteasoma. Es decir, si hay oxígeno, HIF-1α desaparece tan pronto como se produce.
Cuando el oxígeno escasea, este proceso se detiene. Dado que la PHD no puede realizar la hidroxilación sin oxígeno, HIF-1α no se degrada y se acumula. El HIF-1α acumulado migra al núcleo y activa genes de respuesta como la EPO (eritropoyetina, que promueve la producción de glóbulos rojos) y el VEGF (factor de crecimiento endotelial vascular, que induce la formación de nuevos vasos sanguíneos). El cuerpo responde aumentando la producción de glóbulos rojos y la creación de nuevos vasos para incrementar el suministro de oxígeno.
Al trasladarlo al marco de CS, esto es una combinación de un bucle de sondeo (polling loop) y limpieza automática (auto-cleanup). HIF-1α es un contador que se genera constantemente, PHD es el sensor que detecta el estado de oxígeno y VHL es la GC que reinicia el contador. Si hay suficiente oxígeno, el contador se reinicia continuamente y no se genera una señal de respuesta; pero si hay escasez de oxígeno, el reinicio se detiene y el contador supera el umbral, ejecutando el proceso de respuesta. Esta elegante arquitectura de retroalimentación negativa (negative-feedback) está integrada en cada célula del cuerpo.
El panorama de la época: el caso Cho Kuk, las protestas de Hong Kong y la pandemia que se avecinaba
En 2019, Corea del Sur se vio sacudida por el caso Cho Kuk. Tras el nombramiento de Cho Kuk como candidato a Ministro de Justicia en agosto, estallaron controversias sobre el currículum de su hija, sospechas sobre fondos de inversión y conflictos sobre la dirección de la reforma de la fiscalía, lo que provocó grandes manifestaciones opuestas en Gwanghwamun y Seocho-dong. Aunque la renuncia de Cho Kuk como ministro el 14 de octubre cerró temporalmente este capítulo, fue un evento que puso de manifiesto las profundas divisiones generacionales y políticas de la sociedad coreana.
El conflicto entre Corea del Sur y Japón se intensificó debido a la restricción de exportación por parte de Japón en julio de tres materiales clave para los semiconductores (fotoresistencia, ácido fluorhídrico y poliimida). Corea del Sur impulsó agresivamente una política de nacionalización de materiales, componentes y equipos, un impulso que determinaría la dirección de las políticas industriales durante los años siguientes. El 30 de junio se celebró un encuentro improvisado entre Trump y Kim Jong-un en Panmunjom, con la participación del presidente Moon Jae-in, creando la primera escena histórica en la que las tres partes (Corea del Sur, Corea del Norte y Estados Unidos) estuvieron juntas en Panmunjom.
A nivel mundial, en junio comenzaron en Hong Kong las protestas contra la ley de extradición, que se intensificaron durante medio año convirtiéndose en el centro de atención internacional. Al expandirse como un frente de la disputa entre EE. UU. y China, se agitaron los debates internacionales sobre la autonomía de Hong Kong y el modelo de gobernanza de China.
El 10 de abril se reveló la primera imagen de un agujero negro. Fue una imagen capturada por la colaboración internacional del Telescopio del Horizonte de Sucesos (EHT) que mostraba la sombra del agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia M87. Fue la confirmación visual 100 años después de la predicción de la teoría de la relatividad general de Einstein y se convirtió en un momento simbólico de la ciencia colaborativa internacional.
En Estados Unidos, en septiembre comenzaron las investigaciones de destitución por las sospechas de presión del presidente Trump sobre Ucrania, lo que llevó a la acusación formal por la Cámara de Representantes a principios del año siguiente. En agosto, los grandes incendios en la selva amazónica intensificaron el debate ambiental internacional, poniendo bajo escrutinio la respuesta del gobierno de Bolsonaro en Brasil. En octubre, la renegociación del Brexit y la toma de posesión del primer ministro Johnson reconfiguraron la política británica.
Y en diciembre, comenzaron a reportarse casos de neumonía de origen desconocido en Wuhan, China. El personal médico local observó síntomas similares al SARS e expresó preocupación, pero la comunidad internacional aún no era consciente de su gravedad. La pandemia que sacudiría al mundo estaba comenzando en esa silenciosa oscuridad del invierno.
En la comunidad científica, este premio tuvo un fuerte carácter de descubrimiento fundamental en biología celular. La detección de oxígeno es un sistema básico compartido por la mayoría de los organismos multicelulares del planeta, y el hecho de que su circuito sea tan elegante y esté evolutivamente conservado constituye, en sí mismo, un hito científico.
Narrativa de los investigadores: tres ciudades, dos genes, un circuito
Gregg Semenza (1956~ ) nació en Nueva York, EE. UU. Obtuvo su licenciatura en la Universidad de Harvard y su M.D.-Ph.D. en la Universidad de Pensilencia. Posteriormente se estableció en la Facultad de Medicina de la Universidad Johns Hopkins. Su interrogante era clínica: "¿Cómo se produce masivamente la hormona EPO, sintetizada en los riñones, en condiciones de hipoxia?" La EPO es una hormona que estimula la producción de glóbulos rojos en la médula ósea y se secreta de forma explosiva cuando hay escasez de oxígeno. El mecanismo molecular de esta regulación permanecía sin resolver.
El laboratorio de Semenza buscó proteínas que se unieran a la región reguladora (enhancer) del gen EPO. En un artículo de 1992, descubrieron un nuevo factor de transcripción que se une al enhancer de EPO únicamente en condiciones de hipoxia y lo denominaron HIF-1 (Factor Inducible por Hipoxia 1). El HIF-1 está compuesto por dos subunidades, HIF-1α y HIF-1β; se confirmó posteriormente que, mientras la subunidad β se expresa constantemente, la α varía drásticamente según el estado de oxígeno.
Peter Ratcliffe (1954~ ) nació en Lancaster, Reino Unido. Fue un nefrólogo con licenciatura en la Universidad de Cambridge y formación clínica en la Universidad de Oxford. Posteriormente estableció su propio laboratorio en Oxford y se dedicó a la investigación de la detección de oxígeno.
El descubrimiento crucial de Ratcliffe fue que pVHL participa en la degradación de HIF-1α. El VHL ya era conocido como un gen supresor de tumores y era la causa del síndrome de von Hippel-Lindau, un síndrome tumoral hereditario que provoca carcinoma de células renales y hemangioblastomas del sistema nervioso central. Ratcliffe observó que HIF-1α se acumula masivamente en células de cáncer renal con mutaciones en el gen VHL, lo que sugería que pVHL es responsable de la degradación de HIF-1α en células normales.
William Kaelin (1957~ ) nació en Nueva York, EE. UU. Obtuvo su licenciatura y M.D. en la Universidad Duke y estableció su propio laboratorio en el Instituto de Investigación del Cáncer Dana-Farber. Su planteamiento del problema también partía de VHL, pero con un enfoque distinto: "¿Cómo reconoce pVHL a HIF-1α? ¿Por qué ocurre esto solo en condiciones de normoxia?"
Los equipos de Kaelin y Ratcliffe realizaron observaciones cruciales casi simultáneamente: un aminoácido de prolina específico de HIF-1α se hidroxila en presencia de oxígeno, y pVHL reconoce esta prolina hidroxilada. Es decir, si hay oxígeno, la prolina se hidroxila y pVHL la reconoce para su degradación; si no hay oxígeno, la hidroxilación no ocurre y HIF-1α se acumula.
Entonces, ¿qué enzima consume oxígeno para hidroxilar la prolina? La respuesta fue la prolil hidroxilasa (PHD, Prolyl Hydroxylase Domain). Dado que la PHD es una enzima que requiere oxígeno para la reacción, no puede funcionar sin oxígeno. Esta enzima es, precisamente, el sensor de oxígeno celular. Cuando hay oxígeno, la PHD actúa y degrada HIF-1α; cuando no hay oxígeno, la PHD se detiene y HIF-1α se acumula.
Los descubrimientos de los tres laboratorios completaron un circuito: PHD (sensor) → hidroxilación de prolina → pVHL (indicador de degradación) → degradación de HIF-1α → inhibición de la transcripción de EPO/VEGF. En ausencia de oxígeno, toda esta cadena se detiene y HIF-1α se acumula para activar los genes de respuesta.
Logro clave — Un elegante ciclo de retroalimentación visto desde el marco de CS
Si representamos el circuito de detección de oxígeno celular como un pipeline, obtenemos lo siguiente:
- Producción constante: HIF-1α se sintetiza continuamente en la célula. A nivel de ARNm, su expresión se mantiene siempre. HIF-1α se encuentra en un estado donde su valor de contador aumenta constantemente.
- Depuración automática en normoxia: La enzima PHD utiliza oxígeno para hidroxilar una prolina específica de HIF-1α. El HIF-1α hidroxilado es reconocido por pVHL, que le añade una etiqueta de ubiquitina. El proteasoma degrada inmediatamente este HIF-1α etiquetado. En condiciones de oxígeno normal, la vida media de HIF-1α es de apenas unos minutos.
- Detección de hipoxia: Cuando la concentración de oxígeno celular cae por debajo de un umbral, la actividad de la PHD disminuye. La prolina de HIF-1α no se hidroxila, lo que impide el reconocimiento por parte de pVHL. HIF-1α comienza a acumularse.
- Ejecución de la respuesta: El HIF-1α acumulado se une a HIF-1β para formar un dímero activo y migra al núcleo. En el núcleo, se une a los elementos de respuesta a la hipoxia (HRE) y activa la transcripción de varios genes de respuesta.
- Genes de respuesta: EPO (producción de eritrocitos), VEGF (angiogénesis), enzimas de la glucólisis (reorganización del metabolismo energético), proteínas de regulación del pH, etc. Como resultado, el organismo aumenta el suministro de oxígeno y ejecuta ajustes metabólicos para sobrevivir en condiciones de hipoxia.
- Recuperación: Cuando se restablece el suministro de oxígeno, la PHD vuelve a actuar y degrada HIF-1α. La transcripción de los genes de respuesta se detiene y el sistema regresa a su estado de espera.
La esencia de este sistema es el sondeo condicional con limpieza automática (conditional polling with auto-cleanup). HIF-1α actúa como un contador de sondeo persistente, y el eje PHD-VHL funciona como una compuerta lógica (GC) que reinicia este contador cuando se cumplen las condiciones (presencia de oxígeno); si las condiciones no se cumplen (ausencia de oxígeno), el contador supera un umbral y se desencadena la respuesta. Esta arquitectura es la correspondencia natural con un sistema de interrupciones de hardware, creando un sistema de detección distribuida que permite que cualquier célula responda inmediatamente ante cualquier deficiencia de oxígeno, en cualquier momento y lugar.
Existe una capa de ajuste fino. Dos residuos de prolina en HIF-1α se hidroxilan, y también se hidroxila un residuo de asparagina. Cada hidroxilación posee una intensidad de reacción y un mecanismo de regulación distintos. Existen tres familias de subunidades α: HIF-1α, HIF-2α y HIF-3α, que regulan diferentes genes de respuesta en diferentes tejidos. Gracias a esta sofisticada estratificación, la respuesta a la hipoxia puede ajustarse con precisión según el tejido.
También debemos señalar las limitaciones de esta analogía. La respuesta a la hipoxia no es un interruptor binario puro, sino una respuesta analógica. La acumulación de HIF-1α varía de forma continua según los cambios en la concentración de oxígeno, y la expresión de los genes de respuesta se regula en consecuencia. Esto difiere de la correspondencia binaria entre el sondeo (polling) y el disparador (trigger) de software; es precisamente esta naturaleza analógica la que permite una respuesta flexible según el tejido y la situación.
¿Por qué es importante? — Cáncer de riñón, anemia, adaptación a la altura y metabolismo
En primer lugar, constituye la base teórica para el tratamiento del carcinoma de células renales. La mayoría de los carcinomas de células renales presentan mutaciones en el gen VHL, lo que implica un estado de activación crónica del sistema HIF. Desde esta perspectiva, el carcinoma de células renales se ha redefinido como una desregulación del circuito de respuesta a la hipoxia, y el belzutifan, un inhibidor específico de HIF-2α, recibió la aprobación de la FDA en 2021 para el tratamiento del cáncer de riñón relacionado con VHL y los hemangioblastomas del sistema nervioso central. Este es uno de los logros clínicos derivados de este marco conceptual.
En segundo lugar, han surgido nuevos fármacos para el tratamiento de la anemia en la enfermedad renal crónica. Los pacientes con enfermedad renal crónica sufren anemia debido a la disminución de la capacidad de producción de EPO por parte de los riñones, la cual se ha tratado hasta ahora con inyecciones de EPO recombinante. Sin embargo, la administración oral de inhibidores de PHD puede inducir la acumulación de HIF-1α, logrando que el propio organismo produzca su EPO. Roxadustat, daprodustat y vadadustat son fármacos orales para la anemia desarrollados bajo este principio, los cuales cuentan con aprobación en varios países y se utilizan en la práctica clínica. La transición de las inyecciones de EPO del siglo XX a los agentes de inducción oral del siglo XXI constituye uno de los hitas clínicos más determinantes de esta historia.
En tercer lugar, la conexión con la angiogénesis tumoral. A medida que el tumor crece, su interior entra en un estado de hipoxia y el sistema HIF de las células tumorales se activa, secretando grandes cantidades de VEGF. El VEGF es la señal que atrae nuevos vasos sanguíneos hacia el tumor, permitiendo que este continúe creciendo. Los fármacos anticancerígenos inhibidores de VEGF, como el bevacizumab (Avastin), bloquean este eje para inhibir el crecimiento tumoral. Sobre esta base, se están desarrollando diversos métodos que apuntan directamente a la hipoxia tumoral.
En cuarto lugar, la genética de la adaptación a la altitud. Las poblaciones que habitan en altitudes elevadas, como los tibetanos y los habitantes de los Andes en Bolivia, han evolucionado adaptaciones hipóxicas genéticamente distintas a las de las poblaciones de tierras bajas. Se ha identificado que una variante específica de los tibetanos en el gen EPAS1 (HIF-2α) es uno de los genes clave de esta adaptación, y se ha observado sorprendentemente que esta variante proviene de los denisovanos, parientes de los neandertales. Es una historia de cómo la evolución del sistema de detección de oxígeno está entrelazada con la distribución geográfica de los grupos humanos.
En quinto lugar, la comprensión del infarto de miocardio y el accidente cerebrovascular. En la isquemia aguda (interrupción del suministro sanguíneo), la hipoxia tisular induce inmediatamente una respuesta HIF, lo cual tiene un gran impacto en la gravedad del daño tisular y en la capacidad de recuperación. El preacondicionamiento isquémico —un método que expone previamente el tejido a la hipoxia mediante breves episodios repetidos de isquemia para reducir el daño posterior ante una isquemia mayor— se está ensayando clínicamente en cirugías cardíacas y renales, y gran parte de este efecto se explica por la activación del sistema HIF.
En sexto lugar, el desarrollo fetal y la placenta. La placenta se desarrolla en un entorno hipóxico, y esta hipoxia actúa como una señal normal para la formación placentaria. Se ha descubierto que los defectos en el sistema HIF están asociados con trastornos de la formación placentaria, retraso del crecimiento fetal y preeclampsia, lo que está creando un nuevo eje en la medicina obstétrica.
En séptimo lugar, la reprogramación metabólica. En condiciones de hipoxia, las células cambian su metabolismo de la fosforilación oxidativa (alta eficiencia energética, pero requiere oxígeno) a la glucólisis (menor eficiencia energética, pero no requiere oxígeno). El interruptor de esta reprogramación es el sistema HIF, lo cual es crucial para comprender no solo en las células normales, sino también el efecto Warburg en las células tumorales —la característica de los tumores de depender de la glucólisis incluso en presencia de oxígeno—.
En octavo lugar, la perspectiva evolutiva. El sistema de detección de oxígeno ha existido desde una etapa muy temprana de los eucariotas, y los organismos multicelulares, desde las lombrices y la mosca de la fruta hasta los peces y los humanos, comparten circuitos similares. Esto indica que la detección de oxígeno fue una condición fundamental para la evolución de los organismos multicelulares, y el hecho de que aún estemos descubriendo los detalles de este sistema es parte del antiguo atractivo de la biología celular.
Cada célula ya contaba con un medidor de oxígeno, y ahora conocemos el nombre de los engranajes de ese circuito. El Nobel de Fisiología o Medicina de este nuevo siglo le dio nombre a este elegante circuito, y sobre su base, las terapias dirigidas contra el cáncer renal y los fármacos orales para la anemia se han consolidado en la práctica clínica.
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