De organismo modelo a los avances médicos Understand article
Traducido por Maia Segura Wang. Un hongo simple utilizado para preparar cerveza es ahora utilizado alrededor del mundo para avanzar la investigación en cáncer.
El cáncer afecta a millones de personas alrededor del mundo cada año. Sin embargo, gracias a investigaciones sobre el cáncer y la biología celular detrás de esta enfermedad, los tratamientos y las tasas de sobrevivencia mejoran todo el tiempo. Tal vez es sorprendente que la levadura Schizosaccharomyces pombe es una herramienta importante para los investigadores del cáncer. Este organismo modelo (ver recuadro) ampliamente estudiado ha permitido hacer descubrimientos revolucionarios merecedores de Premios Nobel y por más de 50 años ha mejorado el conocimiento de cómo crecen y se dividen las células normales y cancerosas.
El cáncer es el equivalente humano de la maleza, el crecimiento anormal y no deseado de células fuera de control y en el lugar incorrecto. Es usualmente el resultado de una serie de cambios en el ADN de una célula, conocidos como mutaciones, que se acumulan a través del tiempo. Estas mutaciones pueden hacer a las células crecer muy rápido y a dividirse muy frecuentemente, eventualmente formando tumores que invaden los tejidos cercanos y órganos y causa daños. Para entender cómo estas mutaciones causan cáncer, es importante primero entender cómo las células funcionan en circunstancias normales.
Organismos modelo
Muchos de los procesos básicos de la vida, particularmente a nivel celular, son casi idénticos en todos los seres vivos. Esto significa que los científicos utilizan organismos como las moscas de la fruta, el pez cebra, ratones o incluso levaduras para estudiar los fundamentos del crecimiento celular y del desarrollo y para aplicar ese conocimiento a los humanos. Algunas especies han demostrado ser particularmente útiles para la investigación, por lo tanto se les llama organismos modelo.
Estos organismos tienden a ser pequeños, robustos y de fácil cuidado, con un ciclo de vida corto. S. pombe es un organismo modelo particularmente útil porque:
- Es una sola célula con solo 5000 genes (comparado con 20 000 en las células humanas);
- El genoma es fácil de manipular – se pueden agregar genes, mutarlos o removerlos. También pueden ser etiquetados con marcadores fluorescentes, permitiendo visualizar las proteínas utilizando microscopios especializados;
- El genoma es usualmente haploide (hay solamente una copia de cada cromosoma), lo que significa que los cambios genéticos van a ser expresados en el fenotipo y no son cubiertos por otro gen;
- El ciclo celular es simple y es fácil de distinguir en cuál etapa está una célula con sólo verla;
- Muchos de los genes de S. pombe tienen homólogos (equivalentes) en las células humanas;
- Las células son rápidas, baratas y fáciles de crecer y pueden ser almacenadas a -80°C por muchos años.
Desafortunadamente, las células humanas no son ideales para la investigación del ciclo celular. El genoma humano tiene alrededor de 20 000 genes, muchos de los cuales tienen más de una función. Adicionalmente, las células humanas y el ADN pueden ser difíciles de manipular en el laboratorio, lo cual hace más complicado el entender la función de un gen particular de esta manera. La levadura S. pombeha sido una solución. Este organismo unicelular, también conocido como levadura de fisión, mide solo 4 μm de ancho y 16 μm de largo y tiene solo alrededor de 5000 genes.
S. pombe fue descrita por primera vez en 1893 por el científico alemán Paul Lindner, quien descubrió la levadura en cerveza de mijo del este de África. Debido a esto, él la nombró en honor a la palabra cerveza en Swahili, pombe. Los investigadores comenzaron a estudiar la genética y el ciclo celular de S. pombe en los años 1950s. Es ideal para la investigación por muchas razones: es fácil de crecer y no es patogénica, y las células son lo suficientemente grandes para verlas bajo un microscopio, contiene solo tres cromosomas y se divide cada 2-4 horas (ver recuadro).
Una de las mayores ventajas de S. pombe como organismo modelo es la facilidad con que su genoma puede ser manipulado – genes específicos pueden ser completamente removidos o ADN extra puede ser agregado.
Los científicos pueden crecer estas células genéticamente alteradas y el fenotipo resultante (las características observables del organismo) luego los ayuda a entender la función del gen alterado. Las células de S. pombe son también haploides, los que significa que solo hay una copia de cada gen. Esto facilita aún más el estudio de la función del gen. En una célula diploide (donde hay dos copias de cada gen), se requiere mucho cuidado para asegurarse que las dos copias de un gen sean cambiadas para que el fenotipo sea significativo. El tener una sola copia de un gen, como en S. pombe, hace este proceso más simple.
Adicionalmente, S. pombe tiene un ciclo celular bien caracterizado y su forma de bacilo regular la hace ideal para estudios de crecimiento y división. Las células mantienen su forma de bacilo y se elongan en los extremos hasta que se alcanza una longitud celular definida. El ADN se replica y una copia del genoma se mueve hacia cada mitad de la célula, luego un septo (teñido brillante con un colorante fluorescente) se forma a través del centro de la célula y se divide (ver figura 1). Este ciclo se repite, con cada célula creciendo y dividiéndose en dos células hijas siempre y cuando las condiciones sean favorables para el crecimiento (p. ej. si hay suficientes nutrientes presentes).
Imagen cortesía de Louise Weston
En los años 1970s, Paul Nurse y sus colegas comenzaron a aislar y caracterizar mutantes del ciclo celular en S. pombe – trabajo que finalmente llevó a un premio Nobel en el 2001. Inicialmente los investigadores buscaron alteraciones genéticas que causaban muerte celular o células inusualmente elongadas que no llegaban a dividirse (Nurse et al., 1976). Figura 2(b) muestra células elongadas que han fallado en dividirse luego de la inhibición de un gen llamado cdc (que significa ciclo de división celular).
Imagen cortesía de Louise Weston
Los beneficios de los organismos modelos se hacen claros cuando la investigación avanza nuestro entendimiento de procesos similares en los humanos. Muchos de los genes encontrados en S. pombe que regulan el daño y reparación del ADN, los puntos de control y el ciclo celular tienen homólogos (equivalentes) en las células humanos. Por ejemplo, después de identificar el gen cdc2 en S. pombe, Nurse y sus colegas encontraron el gen correspondiente en humanos cdk1 (ciclina dependiente de quinasa 1) (Lee & Nurse, 1987). Este gen codifica por una proteína que inicia y regula la división celular en humanos. Mutaciones en este gen pueden ser pueden desencadenar divisiones celulares desprogramadas y la duplicación o deleción de secciones de un cromosoma, que pueden llevar al desarrollo de cáncer. Hoy día, el beneficio terapéutico de la inhibición selectiva de CDK en el tratamiento de cáncer en humanos está siendo estudiado. Las oportunidades van más allá del cáncer – de hecho, homólogos de al menos 50 genes de S. pombe están asociados a enfermedades humanas tan variadas como fibrosis cística, sordera hereditaria y diabetes tipo 2.
de la levadura de fisión.
Todavía hay mucho que
entender sobre el interior de
este hongo
Imagen cortesía de Johanna
Höög, EMBL
S. pombe es tan esencial para la investigación, que en el 2002 fue el sexto organismo eucariota cuya secuencia del genoma completo fue publicada. Esto ha llevado al desarrollo de más herramientas importantes para el estudio de S. pombe. Por ejemplo, una biblioteca de 3308 cepas de S. pombe ha sido creada, a cada una de las cuales les faltan unos de los genes no esenciales de la levadura. Adicionalmente, cada proteína en S. pombe ha sido etiquetada con proteína verde fluorescente (que brilla verde bajo luz ultravioleta), permitiendo observar su posición exacta dentro de la célula utilizando un microscopio de fluorescencia. Estas herramientas harán que S. pombe sea un organismo modelo aún más útil para investigar la función de los genes (Yanagida, 2002).
Aún no entendemos completamente cómo procesos como el crecimiento y la división celular son controlados, y los controles globales sobre el crecimiento celular son pobremente comprendidos. Hay mucho que podemos entender de este organismo unicelular simple sobre los procesos complejos que son importantes para nuestro desarrollo saludable así como para el desarrollo de enfermedades como el cáncer.
References
- Lee MG, Nurse P (1987) Complementation used to clone a human homologue of the fission yeast cell cycle control gene cdc2. Nature 327: 31-35
- Nurse P, Thuriaux P, Nasmyth K (1976) Genetic control of the cell division cycle in the fission yeast Schizosaccharomyces pombe. Molecular & General Genetics 146: 167-178
- Yanagida M (2002) The model unicellular eukaryote, Schizosaccharomyces pombe. Genome Biology 3: comment2003.4
Resources
- Para mayor información sobre S. pombe y cómo puede utilizarse para la investigación científica, visite PombeNet, un recurso producido por ForsburgLab en California
- La página de internet del instituto de Investigación en Cáncer en Reino Unido (Cancer Research UK) ofrece información accesible sobre todos los tipos principales de cáncer y su actual investigación.
- Para más información sobre cómo las mutaciones genéticas causan enfermedades, vea:
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Patterson L (2009) Nuevas piezas para entender el puzzle de las enfermedades genéticas. Science in School 13: 53-58.
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- Para una discusión como actividad en el salón de clases sobre la ética de conocer lo que sus genes codifican, incluyendo la posibilidad de cáncer, vea:
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Conoce la Máquina del Gen: estimulando discusiones bioéticas en el colégio. Science in School 9: 34-38.
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Review
Las levaduras y los hongos se encuentran entre nosotros, en nosotros, y en todo lo que nos rodea. Los estudiantes deben aprender sobre estos cuando se encuentran en la escuela. Los libros de texto recomiendan la manipulación con cuidado del crecimiento de los hongos, pero usualmente no proveen detalles de los procedimientos experimentales a seguir. Empezando con el uso de hongos relacionados con la conservación y producción de alimentos diarios encenderá el interés de los estudiantes en el tema. (Los maestros no deben temer a ninguna práctica que utiliza experimentos con moho, aún bajo platos petri cerrados.)
Utilizar una cepa de levadura segura (como por ejemplo hornear con levadura, fermentar comida o hacer cerveza o vino) en un experimento bien definido debe alentar a cualquier maestro de biología a dar la oportunidad a los estudiantes de aprender no solo buenas prácticas de laboratorio sino también a entender porqué ciertos procedimientos deben ser seguidos con precisión y anotados correctamente antes de sacar conclusiones. Así es como la práctica científica debe ser enseñada antes de que los estudiantes sean introducidos al artículo, el cual es un ejemplo de un reporte científico. Los hechos presentados pueden llevar a planear los experimentos virtualmente utilizando el organismo modelo descrito. Las preguntas al concluir el reporte van a generar más hipótesis para investigaciones futuras y discusiones en la clase.
Friedlinde Krotscheck, Alemania