Mosques humanitzades

16-73

L’ús de la mosca del vinagre (Drosophila melanogaster) com a organisme d’experimentació va començar fa més d’un segle. Des de llavors, la introducció d’animals model en investigació ha estat essencial per a ajudar a comprendre la funció dels gens i de quina manera aquests s’integren en distints processos biològics. Fins fa poc, la Drosophila s’ha fet servir quasi exclusivament en la investigació bàsica, però progressivament es va convertint en un organisme cada vegada més usat en investigació biomèdica. Més del 60% dels gens involucrats en malalties humanes, com també el 70% dels gens relacionats amb el càncer, presenten un homòleg en Drosophila. A més, el genoma d’aquesta petita mosca es pot considerar una versió compacta i simplificada del genoma humà. L’alt grau de conservació permet als investigadors estudiar la funció de gens causants de malaltia usant models genètics en mosques i extrapolar aquests descobriments a models vertebrats i a humans. D’altra banda, l’estudi de malalties humanes (Parkinson, Huntington o Alzheimer) en mosques model ha permès estudiar les rutes patogèniques de la malaltia i ha proporcionat noves dianes per al desenvolupament de fàrmacs eficaços contra aquestes malalties. 

La nostra salut i els gens d’una mosca

Els 46 cromosomes humans alberguen quasi 3.000 milions de parells de bases d’ADN organitzats en aproximadament 20.000-25.000 gens codificants de proteïnes. Quan algun d’aquests gens pateix una mutació solen produir-se alteracions moleculars que es manifesten en una patologia. Moltes malalties comunes en la població tenen una base genètica, com la predisposició a la diabetis, a l’asma, al càncer o a malalties mentals. Altres malalties genètiques són el resultat de la mutació en un sol gen, com la malaltia de Huntington. En tots aquests casos, al drama personal i familiar que els acompanya cal sumar el cost sanitari dels tractaments, normalment simptomàtics i crònics. 

Què pot aportar un petit insecte de 2 mil·límetres a penes al desenvolupament de tractaments eficaços i possibles guariments? Drosophila melanogaster és un insecte inofensiu tant per a humans com per a plantes. Aquestes mosques passen desapercebudes per a la majoria de les persones –s’alimenten de fruites en descomposició–, però constitueixen una eina fonamental per a la investigació genètica. El principal avantatge és que l’estudi de qualsevol procés biològic en mosques es veu simplificat respecte a l’estudi en vertebrats, en termes de temps i cost. A més, hi ha una gran varietat d’eines genètiques per a Drosophila que permeten eliminar gens, expressar-los en teixits en què habitualment no es troben, marcar cèl·lules individuals o buscar gens relacionats funcionalment amb un de concret, entre altres possibilitats. 

Disposar d’organismes d’experimentació com Drosophila és especialment important en els estudis biomèdics, ja que la seqüència completa del genoma humà tan sols ens permet tenir accés a les paraules que constitueixen les instruccions genètiques, però no al significat d’aquestes instruccions. Per conèixer el funcionament del nostre genoma és necessari abordar de manera experimental l’estudi de la funció de cada gen i de les seues relacions amb altres gens i amb l’ambient. El 75% dels gens humans implicats en malalties es poden identificar en la mosca, on la seua funció bàsica és conservada. Així, en la majoria d’ocasions, les mutacions en els gens de la mosca homòlegs als responsables de malalties humanes (amb el mateix origen i, generalment, amb la mateixa funció) provoquen alteracions (el que es coneix com a fenotip mutant) comparables als símptomes observats en pacients. La disponibilitat de mosques que reprodueixen aspectes d’una malaltia humana aporta un model mitjançant el qual buscar noves teràpies potencials i investigar la ruta de patogènesi d’aquesta malaltia.

El cicle de vida de Drosophila és de tan sols onze dies a 25 ºC, la qual cosa permet completar experiments amb relativa rapidesa. Així, mentre que la neurodegeneració característica de la malaltia d’Alzheimer o de Parkinson pot trigar mesos o anys a aparèixer en models en ratolins, aquestes alteracions apareixen en unes poques setmanes en Drosophila

© N. Gomple, 2008
Més del 60% dels gens involucrats en malalties humanes presenten un homòleg en Drosophila, per aquest motiu la mosca del vinagre s’ha convertit en una eina molt important en la recerca biomèdica. Mascle (esquerra) i femella (dreta) de Drosophila melanogaster.

«Moltes malalties comunes en la població tenen una base genètica, com la predisposició a la diabetis, a l’asma, al càncer o a malalties mentals»

18-73
© Juan Manuel Fernández Costa
L’ús de la mosca del vinagre (Drosophila melanogaster) com a subjecte d’investigació està molt estès en la investigació bàsica i cada vegada més en la biomèdica. A dalt, una investigadora de la Universitat de València observa fenotips de Drosophila amb la lupa. Les mosques s’anestesien amb un sistema de CO2, com en la imatge de la dreta, per a poder observar-les sota la lupa. Una vegada les mosques es tornen a les ampolles amb el seu medi nutritiu, aquestes es desperten als pocs segons.
 «El principal avantatge de Drosophila melanogaster és que l’estudi de qualsevol procés biològic es veu simplificat respecte a l’estudi en vertebrats»

Morir per una causa: les malalties neurodegeneratives

Les malalties neurodegeneratives es caracteritzen pel deteriorament del funcionament de les neurones i són de curs lent i progressiu. La incidència en les pobla­cions humanes ha patit un alarmant increment a mesura que l’esperança de vida ha anat augmentant. Un gran nombre de trastorns neurodegeneratius es basen en mutacions que afecten el plegament de proteïnes concretes, la qual cosa fa que s’acumulen de manera tòxica en les neurones. Biològicament, l’arquitectura del sistema nerviós de Drosophila s’assembla a la dels mamífers, amb àrees que separen funcions especialitzades com la visió, l’aprenentatge i la memòria. A més, molts dels gens humans relacionats amb processos neurodegeneratius tenen homòlegs en la mosca, així doncs, no és gens estrany que aquests models en Drosophila foren pioners.

La malaltia de Huntington

George Huntington va descriure el 1872 una malaltia caracteritzada per la pèrdua progressiva de les funcions cognitives i canvis de personalitat, així com per moviments facials i corporals espasmòdics. La causa genètica està en una expansió repetitiva d’una seqüència de tres nucleòtids, del tipus CAG, en el gen Huntingtina. Els ribosomes de la cèl·lula, encarregats de la síntesi de proteïnes utilitzant la informació codificada als ARN missatgers (ARNm), tradueixen aquests triplets CAG a glutamines (abreujades com a Q), un dels vint aminoàcids que constitueixen les proteïnes. Així, mentre que la proteïna huntingtina conté de manera normal unes 8-25 glutamines seguides, els malalts de Huntington posseeixen proteïnes huntingtina amb 40 o més glutamines repetides. L’existència d’expansions de glutamines en almenys deu patologies més (entre les quals s’inclouen, a més, diverses atàxies espinocerebel·loses, l’atròfia muscular espinobulbar i l’atròfia dentatorubropalidoluisiana) ha portat a agru­par-les en una única categoria de trastorns neurodegeneratius que comparteixen certes característiques, conegudes com malalties poliQ. 

La naturalesa i el comportament comú de les mutacions degudes a l’expansió de seqüències CAG va portar els investigadors a dissenyar una variant mutant del gen Huntingtina i introduir-la en el genoma de Drosophila, a fi de generar un model onestudiar la neurodegeneració típica de les malalties poliQ. Les mosques modificades genèticament que expressaven la proteïna huntingtina mutant presentaven neurodegeneració, tal com ocorre en malalts de Huntington i reproduïen diversos aspectes importants de la malaltia. En primer lloc, la patogenicitat de les repeticions de glutamines depenia de la longitud de l’expansió. Així, les repeticions de fins a 27 glutamines no causaven símptomes en humans ni en les mosques, mentre que les repeticions de més de 40 glutamines els provocaven en ambdós. Com en les malalties neurodegeneratives humanes, en Drosophila la degeneració era evident en estadis tardans del desenvolupament, sovint apareixien en els adults i era progressiva (les mosques que expressaven aquesta proteïna perdien neurones fotoreceptores durant tota la seua vida, arribant a morir prematurament). Així mateix, la presència d’agregats de proteïnes en les neurones, característica de la malaltia de Huntington, també apareixia en el cervell d’aquestes mosques. 

Aquest model de malaltia de Huntington desenvolupat en Drosophila ha permès comprovar la implicació i el mecanisme d’acció de certes proteïnes en la patogènesi de la malaltia i ha proporcionat noves dianes potencials per tractar-la.

 

19-73
© Juan Manuel Fernández Costa

«El model de malaltia de Huntington desenvolupat en Drosophila ha permès comprovar la implicació i el mecanisme d’acció de certes proteïnes en la malaltia»

20-73


ARN tòxics responsables de la distròfia miotònica

Entre les malalties causades per expansions de seqüències curtes hi ha un grup en què les repeticions es localitzen en regions no codificants dels gens (en els gens hi ha regions codificants que determinen la seqüència d’aminoàcids en les proteïnes, i regions no codificants amb altres funcions reguladores) com és el cas de la distròfia miotònica, les bases moleculars de la qual estudiem en el Grup de Genòmica Traslacional de la Universitat de València. La distròfia miotònica és la forma més comuna de distròfia muscular adulta. Aquesta malaltia afecta principalment el teixit muscular produint miotonia (dificultat per a relaxar la musculatura després d’una contracció voluntària) i debilitat muscular, encara que en ser multisistèmica aquests símptomes es presenten normalment associats amb altres, com ara cataractes iridescents, arítmies cardíaques o trastorns gastrointestinals. 

La mutació responsable de la distròfia miotònica es localitza en una regió no codificant del gen DMPK (Dystrophia Myotonica Protein Kinase) i consisteix en repeticions de la seqüència CTG. En condicions normals, d’aquests triplets se’n troben entre 5 i 37 còpies, mentre que en els pacients de distròfia miotònica el nombre de còpies augmenta i fins i tot arriba a les 3.000. Diversos models animals de la malaltia, incloent-hi un model en Drosophila generat pel nostre grup, han permès demostrar que la distròfia miotònica s’origina perquè els ARNm amb gran nombre de seqüències CTG esdevenen tòxics per a la cèl·lula, independentment de la proteïna que codifiquen, la qual cosa constitueix un mecanisme de patogènesi nova. Per què són aquests ARNm tòxics? Se sap que distintes proteïnes crítiques per al metabolisme dels àcids nucleics s’uneixen de manera anormal a aquests ARNm i són segrestades sense poder realitzar la seua funció normal en el nucli cel·lular. D’entre totes elles, el segrest d’una sèrie de proteïnes denominades muscleblind és crític per al desenvolupament de símptomes en la malaltia.

Què ocorre si expressem la mutació humana en mosques? En el nostre grup hem generat mosques transgèniques que expressen 480 repeticions de la seqüència CTG en distints teixits de Drosophila. Sorprenentment, encara que mai s’ha descrit en aquest insecte una mutació d’aquest tipus, l’expressió d’un ARNm compost exclusivament per repeticions CTG reprodueix aspectes moleculars, histològics i degeneratius típics de la malaltia humana. No sols aquesta mutació és capaç d’alterar el funcionament de les cèl·lules de l’insecte sinó que una còpia del gen humà Muscleblind és capaç de funcionar en Drosophila. Ambdós experiments constitueixen un exemple del que podríem denominar la «humanització» del genoma de Drosophila, la qual està contribuint a fer entendre millor algunes patologies humanes i pot ajudar a trobar teràpies per als pacients afectats per aquestes. 

Descobriment de fàrmacs en Drosophila

En l’actualitat, el desenvolupament d’un fàrmac fins a la comercialització costa més de 800 mi­lions de dòlars i representa una mitjana de quinze anys fins que es posa en el mercat. Gran part d’aquest cost prové de la falta d’efectivitat o toxicitat dels compostos candidats en les etapes preclíniques o clíniques del seu desenvolupament. Per aquesta raó, hi ha un tremend interès per identificar en estadis primerencs compostos amb potencial terapèutic per al tractament pal·liatiu de malalties genètiques. Realitzar directament una cerca in vivo i a gran escala de compostos en un organisme invertebrat senzill com Drosophila permet no sols identificar molècules que milloren un aspecte de la patologia, sinó també classificar-les d’acord amb les seues característiques farmacològiques. 

Un compost, a més de tenir una activitat biològica específica sobre un procés cel·lular alterat en una patologia, ha de posseir propietats farmacològiques òptimes, com una bona absorció, distribució o baixa toxicitat, entre altres. Molts assajos in vitro o en cultiu cel·lular no tenen en compte aquestes característiques farmacològiques per les limitacions inherents als sistemes utilitzats. En aquest sentit, les cerques de fàrmacs en Drosophila són doblement exigents. D’una banda, es demana als compostos identificats que milloren uns símptomes que reprodueixen els de la malaltia humana. D’una altra, l’administració d’aquest compost ha de ser compatible amb la vida d’un organisme que, a efectes genètics, és una versió simplificada d’un genoma humà. En la majoria dels casos, compostos biològicament actius identificats en Drosophila funcionen al seu torn de manera semblant en les cèl·lules de mamífers. Una spin-off (empresa derivada) del nostre grup d’investigació, Valentia Biopharma, ha assumit el repte de descobrir fàrmacs potencialment terapèutics utilitzant aquesta estratègia. 

BIBLIOGRAFIA
Bilen, J. i N. M. Bonini, 2005. «Drosophila as a Model for Human Neurodegenerative Diseases». Annual Review of Genetics, 39: 153-171.
García López, A. et al., 2008. «Genetic and Chemical Modifiers of a CUG Toxicity Model in Drosophila». PLoS One, 3(2): e1595.
Marsh, J. L. i L. M. Thompson, 2004. «Can Flies Help Humans Treat Neurodegenerative Diseases?». Bioessays, 26(5): 485-96. 
Reiter, L. T. et al., 2001. «A Systematic Analysis of Human Disease-Associated Gene Sequences in Drosophila melanogaster». Genome Research, 11(6): 1114-1125.

Begoña Cabia Fernández. Becària predoctoral. Laboratori d’Endocrinologia Molecular i Cel·lular. Institut d’Investigacions Sanitàries. Complex Hospitalari Universitari de Santiago de Compostel·la (CHUS).
Amparo García López. Tècnic superior d’investigació del Departament de Genètica de la Universitat de València.
Rubén Arterós Allepuz. Professor titular del Departament de Genètica de la Universitat de València. 
© Mètode 73, Primavera 2012.

 

© Mètode
Drosophila
és utilitzada en investigacions relacionades amb malalties humanes, com la distròfia miotònica. D’esquerra a dreta, podem veure l’ull d’una mosca sana i a la dreta, el d’una mosca model de distròfia miotònica, on es poden apreciar els defectes en el desenvolupament de l’ull. Aquesta malaltia també impedeix a les mosques plegar les ales per problemes en la musculatura del vol (la mosca de l’esquerra està sana i la de la dreta és la mosca model de distròfia miotònica).

«Biològicament, l’arquitectura del sistema nerviós de Drosophila s’assembla a la de mamífers, amb àrees que separen funcions especialitzades com visió, aprenentatge i memòria»  

Mosques humanitzades
Moscas humanizadas

© Mètode 2012 - 73. La força del món - Primavera 2012
RELATED ARTICLES
Filter by
Post Page
La pipeta Els blogs de Mètode Convocatòria
Sort by