Fisiologia cel·lular: Enguany, el Premi Nobel de Medicina o Fisiologia ha recaigut en James E. Rothman, Randy W. Schekman i Thomas C. Südhof, tres dels investigadors més destacats en l’estudi del tràfic intracel·lular de les vesícules. De fet, el comunicat de premsa de l’Assemblea Nobel del Karolinska Institutet els ha guardonat “per descobertes de la maquinària reguladora del tràfic vesicular, un dels principals sistemes de transport en les nostres cel·lules“. En efecte, el tràfic vesicular participa en el transport de diferents components cel·lulars (els lípids de membrana, les glicoproteïnes, etc.), en els processos de nutrició cel·lular a través de processos d’endocitosi/fagocitosi i en processos de secreció cel·lular. La descripció del sistema d’endomembranes i de vesícules és gairebé tan antiga com la mateixa teoria cel·lular. Des de les dècades centrals del segle XX, hom descrigué en els més diversos tipus cel·lulars la dinàmica d’aquestes vesícules i, especialment, el tràfic d’endomembranes que connecta l’embolcall nuclear amb el reticle endoplasmàtic, l’aparell de Golgi i la membrana cel·lular. La biologia cel·lular contemporània ha dedicat esforços a descriure la maquinària cel·lular (fonamentalment, proteica) que regula aquest tràfic d’endomembranes. Que encara molt per conèixer, ho podem deduir, per exemple, d’algun post recent. Tot i així, les descobertes de Rothman, Schekman i Südhof, entre molts d’altres, han ajudat a superar l’etapa poc més que descriptiva de la biologia cel·lular.
El transport vesicular connecta els diferents compartiments del sistema d’endomembranes de la cèl·lula eucariòtica
James E. Rothman
James E. Rothman va nàixer en el 1947. En el 1978 ingressà en el Departament de Bioquímica de la Stanford University. Aviat, orientà els seus interessos a l’estudi del transport vesicular en cèl·lules de mamífers. Entre els anys 1980 i 1990, descobrí i descrigué el complex proteic que permet l’ancorament i la fusió de les vesícules amb les membranes de destí. L’especificitat del complex proteic era la clau per explicar la regulació del tràfic vesicular. Després de Stanford, Rothman passà a la Princeton University (1988-1991). Posteriorment fundà el Departament de Bioquímica Cel·lular i Biofísica del Memorial Sloan-Kettering Cancer Center. En el 2003, esdevingué professor de fisiologia en el Columbia University’s College of Physicians and Surgeons. Actualment ocupa la càtedra Fergus F. Wallace de ciències biomèdiques de la Yale University, i presideix el Departament de Biologia Cel·lular de l’Escola Mèdica de Yale.
Randy W. Schekman
Randy Wayne Schekman (*Saint Paul, Minnesota, 30.12.1948) es va dpctorar a la Universitat de Stanford amb una tesi titulada “Resolució i reconstitució d’una reacció de replicació de l’ADN multienzimàtica“. Ja en la etapa postdoctoral s’orientà envers l’elucidació de la base genètica del transport cel·lular, emprant com a model el llevat. A través de l’estudi de mutants de llevat amb malformacions atribuïbles a error en el transport, Schekman començà a identificar gens que codifiquen les proteïnes implicades en la correcta distribució de les vesícules. Schekman també ha realitzat contribucions sobre l’ensamblatge d’endomembranes en llevats. En el 1991, traslladà el seu laboratori al Howard Hughes Medical Institute, alhora que també és professor en el Departament de Biologia Molecular i Cel·lular de la Universitat de Califòrnia a Berkeley.
També cal destacar la tasca de Schekman com a editor de revistes científiques. Fou editor en cap de la revista PNAS, i actualment ocupa la mateixa responsabilitat en eLife.
Thomas C. Südhof
Thomas C. Südhof (*Göttingen, 22.12.1955) va estudiar medicina entre les universitats d’Aquisgrà (RTWH), de Harvard i de Göttingen, en la darrera de les quals obtingué el doctorat de medicina en el 1982. La tesi doctoral l’havia feta sota la direcció de Victor P. Whittaker i tractava sobre l’estructura i funció de les cèl·lules cromafins. Les cèl·lules cromafins són responsables de la secreció de catecolamines (andrenalina i noradrenalina) per part de les glàndules suprarenals: com es regula la secreció d’aquestes substàncies era un dels principals objectius de la tesi de Südhof. En el 1983, Südhof començà un postdoctorat en el Departament de Genètica Molecular del Centre de Ciències de Salut de la University of Texas, sota la supervisió de Michael Stuart Brown i Joseph L. Goldstein. En aquesta etapa, Südhof estudià el paper del receptor de les LDL (lipoproteïnes de baixa densitat) en el metabolisme del colesterol, i part de les seves contribucions ajudaren a què, en el 1985, Brown i Goldstein aconseguissin el Premi Nobel de Fisiologia.
Més endavant, Südhof es dedicà a l’estudi de la sinapsi neuronal i dels mecanismes que regulen la secreció de neurotransmisors per part de la neurona presinàptica. En el 2008 deixà la Universitat de Texas per ocupà la càtedra Avram Goldstein en l’Escola de Medicina de la Universitat de Stanford, on també és professor de fisiologia molecular i cèl·lula, psiquiatria i neurologia.
Els mecanismes de regulació del tràfic vesicular intracel·lular
El tràfic vesicular és un sistema de transport cel·lular en dos sentits. D’una banda, les vesícules són encerclades i limitades per una membrana (una doble capa de fosfolípids, en la qual trobem immerses o associades una diversitat de glicoproteïnes i glicolípids). De l’altra, en l’interior de la vesícula trobem un medi aquós en el qual hi ha dissolts un ample ventall de metabolits. Així, el transport de vesícules transporta membranes lipídiques i transporta continguts hidrosolubles. La majoria de neurotransmissors i hormones són transportats en les vesícules de les cèl·lules que els produeixen, abans que aquestes vesícules, fusionades amb la membrana cel·lular, aboquin el seu contingut al medi extracel·lular. Per la dècada dels anys 1960, s’havien acumulat nombroses evidències sobre la rellevància fisiològica i patològica d’aquest sistema de transport vesicular, particularment en els sistemes nerviós, endocrí i immunològic. El transport vesicular és essencial també en el procés de diferenciació de qualsevol tipus cel·lular.
El llevat ha constituït un model bàsic en l’estudi de la secreció cel·lular. Això es deu al fet d’ésser un organisme unicel·lular, de fàcil creixement, amb formes facultativament combinables de reproducció sexual i asexual. La secreció d’enzims metabòlics permet al llevat l’aprofitament de recursos nutricionals extracel·lulars. En la imatge, s’enumeren els passos de la secreció de la cel·lobiohidrolasa, un enzim que participa en la degradació de cel·lulosa, i les proteïnes que hi participen (de Haan et al., 2013).
Per conèixer les proteïnes implicades en el transport vesicular, l’aproximació de Randy Schekman, basada en la identificació de mutants en el llevat, fou cabdal. En el 1979, Novick i Scheman identificaren una soca mutant que, quan se la feia crèixer a 37ºC, aturava el seu creixement i els seus processos secretoris. La mutació responsable afectava una proteïna implicada en el transport vesicular, que esdevenia més sensible a la temperatura que no pas la proteïna salvatge. Sense aquesta proteïna, el mutant no podia secretar correctament a temperatures elevades enzims com la invertasa o la fosfatasa àcida, essencials per a l’aprofitament dels recursos alimentaris.
Electromicrografia de transmissió que ens mostra el vèrtex de creixement d’una hifa de Neurospora. Les rodones electrodenses (negres) de l’àpex són vesícules de secreció. Quins són els mecanismes que fan que es concentrin en aquesta regió de la cèl·lula? Investigadors com Rothman, Schekman o Südhof han ajudat a identificar les proteïnes que determinen les interaccions de les vesícules entre elles.
Mitjançant la identificació d’altres mutants, Schekman descrigué tres classes de gens implicats en aspectes del sistema de transport cel·lular (Kaiser i Schekman, 1990). Molts d’aquests gens (SEC8, SEC17, SEC22, etc.) eren homòlegs als gens que, paral·lelament, investigadors com James Rothman identificaven en cèl·lules de mamífers. El laboratori de Rothamn havia desenvolupat un mètode per a l’estudi del transport de proteïnes en l’aparell de Golgi (Balch et al., 1984). El grup de Rothman elaborà un model per explicar la fusió específica de vesícules a través de la interacció entre dues famílies de proteïnes vesiculars, les SNAPs i les SNAREs (Söllner et al. 1993).
El sistema SNAP/SNARE permet que vesícules generades a partir d’un mateix orgànul cel·lular es puguin distribuir a orgànuls de destí diferents
La identificació de les proteïnes responsables del transport vesicular facilità la tasca d’estudiar amb major precisió els mecanismes d’alliberament de neurotransmissor per part de les neurones. Grups com els Südhof treballaven en aquest àmbit. L’objectiu era omplir els buits en les vies de senyalització. Per exemple, en moltes sinapsis, l’augment transitori dels nivells de calci intracel·lular en la neurona presinàptica desencadenen l’alliberament de neurotransmissors. Així doncs, el grup de Südhof cercà proteïnes sensibles al nivell de calci que participessin en la maquinària molecular que connecta l’augment de calci amb la mobilització de les vesícules carregades de neurotransmissors.
En el programa de recerca del laboratori de Südhof era fonamental partir d’allò que ja es coneixia sobre el contacte entre les membranes cel·lulars i les vies de senyalització intercel·lular. Perin et al. (1990) trobaren que una proteïna vesicular, la p65, té en el seu domini citoplasmàtic un lloc d’unió a la calmodulina, el principal transmissor dels canvis intracel·lulars de calci.
Esquema de la connexió sinàptica. El sistema nerviós pot considerar-se format per una xarxa de neurones. La majoria de contactes interneuronals es produeixen a través d’una sinapsi química. En l’esquema, la cèl·lula de dalt (cèl·lula presinàptica) allibera, com a resultat d’un impuls neuronal, una quantitat de neurotransmissor que pot contribuir a desencadenar un impuls neuronal en la cèl·lula de sota (cèl·lula postsinàptica).
Per analitzar les passes successives de la fusió de vesícules sinàptiques, el grup de Südhof va fer mans de neurotoxines clostridials (les toxines responsables del tètanus i del botulisme). Aquestes toxines actuaven, efectivament, bloquejant les sinapsis i, més concretament, inhibint la fusió de les vesícules sinàptiques amb la membrana neuronal (de manera que el neurotransmissor no pot ser abocat a la fossa sinàptica, i la comunicació interneuronal resta blocada). El coneixement molecular havia mostrar que les neurotoxines clostridials actuen per la interacció amb proteïnes sinàptiques com la sintaxina, la SNAP-25 i la sinaptobrevina. Emprant el coneixement de les interaccions entre les SNAPs i les SNAREs, el grup de Südhof treballà en la caracterització del complex de fusió de les vesícules sinàptiques (Hata et al., 1993).
Amb sorprenent rapidesa, el complex de fusió vesicular va fer camí cap als llibres de text universitaris. El model explicava de manera concreta quelcom que ja s’imaginava. Alhora, aquest coneixement molecular sobre el tràfic vesicular despertà un notable interès pràctic, ja que els seus components esdevenien potencials dianes terapèutiques per a trastorns de la secreció cel·lular (neuronals, endocrins o immunològics).
