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El detective celular
Tus células son pequeños parlanchines que no pueden guardarse nada para sí mismos. Narran sus actividades diarias para que todos las escuchen: cada dolor y dolor o ir y venir. Con las células, todo está en la superficie.
Hidde Ploegh es profesor de biología del MIT y miembro del Instituto Whitehead de Investigación Biomédica. (Fotografía de Sam Ogden).
Y también es algo bueno, porque el sistema inmunológico, como un padre sobreprotector, necesita escuchar exactamente lo que está sucediendo para asegurarse de que estamos a salvo. El método de comunicación preferido de las células es mostrar indicadores moleculares en sus membranas. Estos indicadores le permiten al sistema inmunológico saber si una célula ha sido infectada por un virus o se ha vuelto cancerosa. Pero algunos virus pueden amordazar las células para que el sistema inmunológico no tenga idea de lo que está sucediendo.
Hidde Ploegh, profesora de biología del MIT y miembro del Instituto Whitehead para la Investigación Biomédica, quiere saber cómo lo hacen. En su laboratorio, los investigadores se están concentrando en las tácticas que usan los virus y las bacterias para silenciar las células. Creemos que al inspeccionar estos virus [y bacterias] de cerca, podemos vislumbrar no solo sus funciones evasivas sino también el funcionamiento del sistema inmunológico saludable, dice Ploegh.
Las células del sistema inmunológico incluyen muchos tipos de células asesinas, de memoria y parlanchinas conectadas a través de complejas redes de comunicación. Las enfermedades humanas más mortales, como la tuberculosis, el VIH y el cáncer, son muy buenas para ocultar su presencia al sistema inmunológico. No se comprende bien cómo lo hacen exactamente: hay muchos lugares en las redes donde una enfermedad podría interrumpir o destruir una señal.
Ploegh está particularmente interesado en los herpesvirus, una gran y antigua familia de virus, de los cuales ocho infectan a los humanos, porque muchos de ellos pueden detener el proceso de comunicación antes de que comience al evitar que se enciendan las señales de las células conversadoras. Esta familia ha desarrollado una bolsa de trucos con los que frustran todo este proceso, dice.
Lo que Ploegh encuentra especialmente fascinante sobre los virus del herpes es que, a diferencia de la mayoría de los otros microbios que causan enfermedades, una vez que te infectan, nunca desaparecen. Lo que estos virus han aprendido, dice, no es solo cómo infectar al huésped y esconderse dentro de él, sino también cómo reactivarse de su estado latente, causando fiebre, llagas y otros síntomas a veces años y años después. El virus sale de su escondite frente a un sistema inmunológico que ya sabe de su presencia, y aún puede salir adelante y transmitirse al siguiente huésped. Ese es un conjunto de estrategias bastante notable.
En particular, Ploegh se ha centrado en un virus del herpes llamado citomegalovirus humano (HCMV), que es tan frecuente que entre el 50 y el 80 por ciento de los estadounidenses lo albergan a la edad de 40 años. Las personas infectadas generalmente no presentan síntomas, pero el virus puede causar inflamación ocular. insuficiencia hepática y muerte en personas con sistemas inmunitarios comprometidos, como los pacientes con SIDA.
La investigación de Ploegh ha demostrado que el HCMV se encuentra entre los virus del herpes que pueden ocultarse evitando que las células que infectan muestren sus banderas moleculares al sistema inmunológico. Todas las células humanas, estén infectadas o no, normalmente muestran en sus superficies muestras en constante rotación de las proteínas que se producen en su interior. Las células del sistema inmunológico conocidas como linfocitos T asesinos circulan por la sangre y el sistema linfático para leer estas muestras. Si una célula muestra un fragmento de una proteína que normalmente no producen las células sanas, como una proteína cancerosa o una proteína viral, los linfocitos T asesinos que pasan por ahí lo detectarán y matarán la célula. Podría considerar que este es el sistema de alerta temprana mediante el cual el linfocito T sabe lo que está sucediendo en el interior de una célula, dice Ploegh. Si el virus pudiera desarmar ese sistema de alerta temprana, sería temporalmente invisible para las células T asesinas.
El grupo de Ploegh descubrió que así es exactamente como funciona el HCMV: se dirige a la proteína que transporta fragmentos de otras proteínas hasta la superficie celular para su visualización. La proteína transportadora, llamada MHC clase I, funciona como portadora de la bandera de la célula. Se cuelga del lugar de la célula donde se fabrican y destruyen las proteínas, agarrando cualquier fragmento que encuentra y elevándolos a la superficie de la célula. Los investigadores del laboratorio de Ploegh han aislado un grupo de genes del HCMV que destruyen o detienen el MHC.
Este trabajo está dando a los inmunólogos un vistazo a la bolsa de trucos de los virus del herpes e iluminando las actividades cotidianas de las células humanas normales. El virus se ha apoderado de lo que ahora creemos que es una vía esencial para el control de la calidad de las proteínas, dice Ploegh. Las células tienen mucho cuidado al copiar su ADN, porque cualquier error se transmitirá a las generaciones futuras. Pero la producción de proteínas es descuidada, con una tasa de error de alrededor del 10 por ciento. Esa basura debe limpiarse de la celda, dice Ploegh; de hecho, parte del proceso de síntesis es también la ruptura de inadaptados. Los biólogos no están seguros de cómo se reconocen las proteínas inadaptadas, pero una vez que lo hacen, se les da un pase que les permite entrar en un proteasoma, que Ploegh compara con una picadora de carne. Después de salir de un proteasoma, las proteínas picadas, ya sean virales o propias de la célula, pasan al compartimento donde el MHC espera, después de lo cual las empuja a la superficie para su inspección por las células T.
Ploegh y sus estudiantes estudiaron dos genes HCMV en células humanas y demostraron que cualquiera de los dos puede interrumpir el proceso de portar banderas. En lugar de trabajar con células infectadas, simplemente puede instalar en su célula este gen único y ver cómo se desarrolla toda la vía, dice.
Joana Loureiro, una estudiante graduada de la Universidad de Lisboa en Portugal que está realizando su investigación doctoral en el laboratorio de Ploegh, está estudiando uno de estos genes, llamado US2 (el otro, llamado US11 , tiene efectos similares). Usando una técnica llamada persecución de pulsos, Loureiro puede rastrear MHC, US2 Víctima. Primero, inunda, o pulsa, células humanas con bloques de construcción de proteínas marcados radiactivamente, tantos que los MHC producidos durante el período del pulso serán predominantemente radiactivos y rastreables. Luego, persigue el primer conjunto de bloques de construcción con un segundo conjunto que no está etiquetado. De este modo, Loureiro puede rastrear un grupo de proteínas fabricadas solo durante un período determinado. Esto le permite ver el momento de los eventos: en presencia del virus US2 proteína, el MHC sobresale de su compartimento habitual y luego es masticado por la picadora de carne de la célula.
El HCMV tiene otras formas de inhabilitar el MHC, por ejemplo, proteínas que simplemente lo arrastran hacia abajo como un ancla para que no pueda alcanzar la superficie celular. Pero Ploegh dice que el ejemplo más espectacular del ingenio del virus es el que está estudiando Loureiro, en el que el virus vuelve la propia maquinaria de control de calidad de la célula contra sí mismo. El laboratorio de Ploegh ha demostrado que HCMV puede desactivar MHC en literalmente minutos; la célula infectada simplemente no tiene tiempo de enviar una advertencia al sistema inmunológico.
El HCMV puede estar imitando un mecanismo normal de procesamiento de proteínas en organismos, desde levaduras hasta humanos. Las levaduras, los hongos más simples cuyo funcionamiento genético ha demostrado ser muy parecido al nuestro, contienen genes que definen vías similares a las utilizadas por US2 y US11 en células humanas. Esta similitud, dice Ploegh, sugiere un vínculo que puede establecerse entre el escape de la detección del [sistema] inmunológico por virus y vías normales muy básicas. Agrega: Creemos que las vías utilizadas por US2 y US11 son emblemáticos de cómo su célula de mamífero típica se ocupa de la basura de proteínas. Al estudiar cómo las proteínas humanas nativas ayudan a la proteína viral a destruir el MHC, Loureiro espera descubrir cómo funciona la vía normal.
Lisa Kattenhorn, una estudiante graduada de la Escuela de Medicina de Harvard en el laboratorio de Ploegh, descubrió otro mecanismo de encubrimiento. Para que el MHC las muestre en la superficie celular, las proteínas virales deben pasar primero por los molinillos de un proteasoma. Pero para entrar en un proteasoma, las proteínas necesitan un pase especial llamado ubiquitina; sin este control, todas y cada una de las proteínas podrían entrar en el molinillo y la célula eventualmente moriría. Kattenhorn descubrió que una de las primeras proteínas que ingresa a una célula durante la infección por un herpesvirus es una enzima que puede eliminar la ubiquitina de las proteínas virales. Sin ubiquitina significa que no hay fragmentos de proteínas virales para que los muestre el MHC, por lo que es probable que la infección sea invisible para las células T asesinas. Todos los virus del herpes tienen esta enzima, por lo que Kattenhorn espera que su trabajo conduzca a una terapia de amplia aplicación.
Aunque Kattenhorn es viróloga, su trabajo se basa en sondas fabricadas por químicos en el laboratorio de Ploegh. Howard Hang, un postdoctorado en química que trabaja con Ploegh, describe estas sondas como cebo para extraer proteínas para que puedan examinarse en detalle. Cada sonda tiene el equivalente a una mosca de pesca que incita a las proteínas a morder, así como una línea que se puede utilizar para recuperarlas. Las sondas de Kattenhorn, por ejemplo, utilizan ubiquitina como cebo para atraer las enzimas que la eliminan.
Estas sondas químicas funcionan bien en estudios de las partes de la célula debilitadas por los virus del herpes, pero no pueden usarse en células vivas, dice Hang. Las sondas son demasiado grandes para entrar y salir de células intactas, por lo que las células deben pulverizarse antes de examinarlas. Hang está diseñando una sonda más pequeña y flexible para realizar estudios de imágenes en vivo de Salmonela bacterias en acción. En las células que infecta, Salmonela de alguna manera se defiende de las proteasas, enzimas que, como los proteasomas, descomponen las proteínas. Por lo tanto, evita que sus proteínas reveladoras lleguen a la superficie celular y sean vistas por las células T. Pero Salmonela tiene que estar intacto y vivo para llevar a cabo esta hazaña.
Ploegh está utilizando otros tipos de técnicas de imágenes de células vivas para estudiar las interconexiones entre las diversas ramas del sistema inmunológico. También está investigando las células del sistema inmunológico que operan a un nivel más general que las células T asesinas. En lugar de responder a una cepa particular de E. coli o para el virus del herpes simple tipo 1, estas células reconocen las amenazas en categorías muy generales (bacterias, virus u hongos) y actúan con rapidez. Los libros de texto hacen una clara distinción entre estas dos ramas del sistema inmunológico, pero en la vida real están íntimamente conectadas, dice Ploegh. Funcionan en un espectro continuo.
Durante una infección, un microbio intenta multiplicarse y su anfitrión intenta destruirlo. Ahí tienes el comienzo de una batalla prolongada, dice Ploegh. Al estudiar los planes de guerra de los herpesvirus y otros microbios, Ploegh dice que no está buscando una forma de curar una enfermedad específica, sino una mejor comprensión de cómo funciona el sistema inmunológico. Y esa comprensión nos preparará mejor para combatir cualquier enfermedad.