Un estudio revela el mecanismo de insensibilidad clave a los medicamentos antipalúdicos en una nueva variante patógena
La malaria es una de las enfermedades infecciosas más peligrosas. Los patógenos responsables son microorganismos del género Plasmodium. Una forma particularmente peligrosa de la enfermedad es causada por Plasmodium falciparum. La artemisinina es uno de los fármacos antipalúdicos más importantes contra este parásito. Sin embargo, en un mutante del patógeno que se está propagando actualmente, el efecto de la artemisinina es limitado. Un equipo de investigadores alrededor de Robin Schumann, un bioquímico de Kaiserslautern, ha descubierto ahora el mecanismo detrás de esto: una proteína involucrada en el desarrollo del parásito está mal plegada. El estudio fue publicado en la famosa revista «Redox Biology».
El patógeno de la malaria Plasmodium falciparum es transmitido por los mosquitos anopheles a los humanos, en quienes se multiplica primero en el hígado y luego en los glóbulos rojos, los eritrocitos.
El patógeno se desarrolla en ciclos. La eficacia de la artemisinina está limitada en el tiempo después de la administración del fármaco. Solo funciona en plasmodios que se encuentran en una determinada etapa del ciclo de vida. «
Robin Schumann, primer autor del estudio
En la variante mutante, que se originó en la región fronteriza de Tailandia y Camboya y ahora se está extendiendo, el efecto de la artemisinina es limitado. El tratamiento a corto plazo de los pacientes ha demostrado que los parásitos regresan. «Hay un retraso en el desarrollo de estos patógenos mutantes», dice Schumann. «Permanecen más tiempo en una etapa en la que el agente no puede desarrollar su efecto».
La causa es una mutación en un gen que codifica la proteína Kelch13: como resultado, el aminoácido cisteína es reemplazado por el aminoácido tirosina en un sitio específico de esta proteína. Pero, ¿cuál es exactamente el papel de Kelch13 en el desarrollo del patógeno de la malaria? ¿Cuál es el efecto de esta mutación a nivel molecular? Estas preguntas fueron abordadas por el equipo del profesor Dr. Marcel Deponte del Departamento de Química de la Technische Universität Kaiserslautern. El estudio se llevó a cabo en el marco del programa prioritario (SPP 1710) «Dinámica de interruptores redox basados en tiol en fisiología celular» de la Fundación de Investigación Alemana. “Cuando iniciamos el proyecto, otros grupos de investigación plantearon dos hipótesis sobre el modo de acción de Kelch13”, explica el profesor Dr. Marcel Deponte.
Una hipótesis se basa en una posible actividad redox de la proteína. «Parece un sensor redox central de vertebrados en su estructura», continúa el bioquímico. Como se mencionó anteriormente, la mutación en Kelch13 generalmente afecta un residuo de cisteína. La cisteína contiene azufre y es potencialmente redox activa, es decir, puede reaccionar químicamente con otras moléculas e intercambiar electrones. El antipalúdico artemisinina, a su vez, es un denominado peróxido, que también tiene actividad redox. «La primera hipótesis ahora asumió que el efecto del fármaco antipalúdico se ve alterado por un proceso redox que depende de esta proteína», dice Deponte.
Junto con esta hipótesis, otros dos grupos de investigación han demostrado que Kelch13 es necesario para la absorción de hemoglobina de los eritrocitos al parásito. Entre ellos se encuentra el grupo de investigación dirigido por el Dr. Tobias Spielmann del Instituto Bernhard Nocht de Medicina Tropical de Hamburgo, que publicó sus resultados en un estudio en la famosa revista Science. «La mutación altera esta absorción», agregó Schumann. En colaboración con Markus Ganter y su grupo de investigación en el Centro de Enfermedades Infecciosas del Hospital de la Universidad de Heidelberg, en el presente estudio también se confirmó la absorción deficiente de hemoglobina.
En su tesis doctoral, Schumann abordó ambas hipótesis. Refutó la primera hipótesis con sus resultados: entre otras cosas, lo hizo intercambiando el residuo de cisteína en Kelch13 y reemplazándolo con un residuo de serina. “El aminoácido serina es similar a la cisteína en su estructura química, pero no es redox y no tiene residuos de azufre”, explica. «No encontramos ningún efecto sobre la sensibilidad a la artemisinina y, por lo tanto, descartamos la actividad redox en este contexto. La causa debe estar relacionada con el residuo de tirosina, que se produce de forma natural en la variante mutante».
Entonces, Schumann se centró en la otra hipótesis: ¿por qué el mutante absorbe menos hemoglobina? El equipo de Hamburgo había demostrado previamente que la captación de hemoglobina se reduce cuando se produce una mutación de cisteína tirosina. El equipo de Kaiserslautern ahora ha estudiado la influencia de la concentración de la proteína en la variante original del parásito. “Desarrollamos una cepa patógena en la que pudimos modificar la cantidad de proteína Kelch13”, explica Schumann.
Para ello, el estudiante de doctorado utilizó una nueva técnica: reguló la proteína mediante una ribozima, una pequeña molécula de ARN que cataliza reacciones químicas como una enzima. Conclusión de Schumann: “La regulación a la baja de la concentración de proteínas también resulta en una disminución de la sensibilidad a la artemisinina. Pero, ¿cuál es la causa exacta? Para responder a esto, Schuman quería examinar la proteína aislada.
También se utilizó un nuevo método en el proceso. Después de más de un año de trabajo, logró producir la denominada proteína Kelch13 recombinante en células de insectos. Las proteínas recombinantes son moléculas de proteínas que se producen en cultivos celulares o microorganismos mediante métodos biotecnológicos. Por lo tanto, Schumann trabajó en estrecha colaboración con el Laboratorio Europeo de Biología Molecular en Heidelberg, donde aprendió a cultivar células de insectos.
El equipo finalmente purificó y analizó la proteína aislada. Aquí también adoptaron un nuevo enfoque cuando otros grupos de investigación estudiaron Kelch13 en el parásito. «Hemos visto que la mutación provoca un mal plegamiento de la proteína y que esto interfiere en su acción», resume Deponte. Como resultado, el patógeno solo puede absorber la hemoglobina lentamente y los parásitos en etapa temprana se retrasan en su desarrollo, lo que impide que el fármaco antipalúdico funcione en su ventana de tiempo.
La colega de Schumann, Eileen Bischoff, continuó trabajando en la purificación y análisis de la proteína. Además, Sophie Möhring participó principalmente en el establecimiento del cultivo celular del parásito Plasmodium falciparum en el grupo de investigación de Kaiserslautern.
El estudio fue publicado en la famosa revista «Redox Biology»: «La abundancia y el plegamiento de proteínas en lugar del estado redox de Kelch13 determinan la sensibilidad a la artemisinina de Plasmodium falciparum».
La fuente:
Referencia de la revista:
Schumann, R., et al. (2021) La abundancia y el plegamiento de proteínas en lugar del estado redox de Kelch13 determina la susceptibilidad a la artemisinina de Plasmodium falciparum. Biología redox. doi.org/10.1016/j.redox.2021.102177.
