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Hola y bienvenidos al seminario de glicobiología química.
Mi nombre es Carolyn Bertozzi, y soy profesora de química
y biología molecular y celular de la Universidad de California en Berkeley,
y también investigadora del Instituto Médico Howard Hughes.
Soy química de profesión y me interesé en la biología de los azúcares,
que es lo que significa el término glicobiología,
cuando estaba en la universidad, y más tarde como becaria postdoctoral.
Mi laboratorio de investigación en la Universidad de Berkeley
trata de combinar la química con la biología para comprender
qué están haciendo los azúcares en el cuerpo humano.
Por lo tanto, permítanme empezar con una introducción de
por qué estoy tan interesada en la biología de los azúcares,
junto a todos los estudiantes y becarios postdoctorales
que trabajan conmigo en el laboratorio.
Resulta que en torno al cambio de milenio
hubo una secuencia muy emocionante de descubrimientos en biología
que tiene que ver con la secuenciación de genomas.
Así, en los primeros días de la secuenciación del genoma,
el primer organismo eucariótico que se caracterizó de este modo
fue la levadura en ciernes. Y una de las grandes sorpresas
de la secuencia del genoma de la levadura
fue que sólo contiene aproximadamente 6.000 genes,
y ése no es un número muy grande. De hecho,
antes de que el genoma se completara, algunos estimaban
que habría muchos más genes requeridos
para codificar todas las funciones interesantes que los eucariotas realizan.
Por eso el número 6.000 parecía muy pequeño.
Por supuesto, la levadura en ciernes
es un organismo eucariota relativamente simple.
Es un organismo unicelular.
Existía la idea de que más células requieren más genes.
Y así resultó ser el caso
cuando más y más genomas fueron descifrados.
Cuando el genoma de C. elegans fue finalmente secuenciado,
ese genoma tenía alrededor de 15.000 genes,
que es un número mayor de genes
y parecía tener sentido.
El siguiente organismo importante que fue secuenciado
fue Drosophila, la simple mosca de fruta,
que contaba con unos 20.000 genes.
Mientras tanto, todos los científicos estaban trabajando en el genoma humano,
operando bajo la suposición de que
sería mucho más grande que cualquiera de estos otros organismos modelo.
De hecho, algunos científicos estimaban que
el genoma humano podría tener más de 100.000 genes.
Pues bien, en torno al cambio de milenio se produjo una gran sorpresa
en el mundo de la secuenciación del genoma
cuando el genoma humano fue finalmente completado
y resulta que no es mucho más grande que el genoma de la mosca
o de C. elegans, y en realidad ni siquiera
mucho más grande que el genoma de la levadura.
Había sólo alrededor de 25.000 genes codificados en el genoma humano.
Estos son los genes que codifican proteínas, y por cierto,
creo que nadie estaría más sorprendido que el propio Charles Darwin
al descubrir que en realidad no hay muchos genes.
Así que la siguiente pregunta,
dado que sólo tenemos unos 25.000 genes,
es cómo pueden ser los seres humanos tan complicados biológicamente
en comparación con algunos de estos simples organismos modelo.
Pues bien, en una de las publicaciones más importantes de 2001
sobre la secuencia del genoma humano,
Craig Venter y sus colegas hicieron esta declaración:
el hallazgo de que el genoma humano
contiene menos genes de lo que se predijo
podría ser compensado por la diversidad combinatoria
generada en el nivel de modificación post-traduccional de las proteínas.
Entonces, dicho de otro modo, lo que sucede en los organismos
mayores, más complejos, es que
las proteínas codificadas por el genoma
se modifican de manera muy complicada y diversa
para crear mucha más complejidad biológica
de la que se podría predecir al simplemente contar los genes del genoma.
Y las modificaciones de las proteínas son lo que llamamos
las modificaciones post-traduccionales.
Bueno, resulta que una de las
modificaciones post-traduccionales más complicadas
es la unión de azúcares a esas proteínas.
Y ése es el proceso que llamamos glicosilación
y verán ese prefijo "glico" una y otra y otra vez
a lo largo de estas conferencias.
Ese es el prefijo griego para el azúcar.
Resulta que muchas de las proteínas que están glicosiladas
son las proteínas asociadas a las membranas de las células.
De hecho, residen en la superficie de las células,
y esas proteínas modificados con azúcar se llaman glicoproteínas.
Un ejemplo de esas glicoproteínas se muestra aquí
en forma de dibujos animados, donde la proteína es la estructura azul
que está anclada en la membrana de la célula.
También tenemos los lípidos en las membranas de nuestras células
que tienen azúcares unidos a ellos,
como esta caricatura que ilustra lo que llamamos un glicolípido.
Y la parte azúcar de la glicoproteína o glicolípido
es lo que podríamos llamar científicamente un glicano.
Glicano es sólo otra palabra para una molécula compleja de azúcar.
Por lo tanto, debido a todas estas glicoproteínas y glicolípidos
en la superficie de las células, básicamente podríamos pensar
que nuestras células tienen un recubrimiento de azúcar.
Y de hecho, es por eso que en la primera diapositiva
de esta conferencia había una caricatura de M & Ms
porque hay muchas razones para pensar en nuestras células como si fueran M & Ms.
Están recubiertas con moléculas de azúcar.
Eso para mí es fascinante.
Y por supuesto, eso plantea la pregunta,
¿cuál es la función de todas estas moléculas de azúcar
que se unen a las proteínas y los lípidos
y decoran la superficie de las células?
Y esa pregunta, ¿cuáles son las funciones de los azúcares?,
ésa es la pregunta que se plasma en el campo de la glicobiología.
Ahora bien, resulta que a diferencia de los M & Ms,
que tienen una capa de azúcar fija, que nunca cambia
hasta que te comas los M & Ms,
el recubrimiento de azúcar en la superficie de las células se modifica.
Y puede cambiar dramáticamente a medida que nuestras células cambian su estado.
Ahora, tenemos términos que utilizamos para describir
las colecciones de estos azúcares.
De hecho, tenemos el término glicoma.
Uds. pueden pensar en este término, glicoma, como análogo
a otros términos que puedan ser más conocidos.
Genoma, por ejemplo.
El genoma es la colección completa
de todos los genes en las células.
Y tal vez han oído el término proteoma.
El proteoma es la colección completa de las proteínas que nuestras células están haciendo.
Pues bien, en el campo de la glicobiología,
se utiliza el término glicoma para describir
la totalidad de los glicanos producidos por una célula.
Y como muestro aquí en esta caricatura, el glicoma es dinámico.
En otras palabras, cuando una célula está en un estado particular,
tendrá una colección particular de glicanos
que se muestran en estas estructuras diferentes de dibujos animados.
Pero si la célula experimenta un cambio fisiológico,
la colección de glicanos pueden cambiar.
Algunas de las estructuras pueden ser más
o menos abundantes, y podría haber
estructuras de glicanos totalmente nuevas que no estaban presentes en el estado original.
Así que la naturaleza dinámica de la glicoma
es muy interesante desde el punto de vista de
entender qué están haciendo estos azúcares en la biología.
Para darles algunos ejemplos
de situaciones en las que los glicoma cambian,
si nos fijamos en la colección completa de los glicanos
cuando una célula está en un estado embrionario,
una célula que acaba de formar, verán
una colección que es bastante diferente
de la colección de los glicanos que hay cuando
esa célula está en lo que llamamos un estado diferenciado.
En otras palabras, cuando la célula ha decidido convertirse en una célula muscular,
una neurona o una célula de la piel.
Cada una de estas células tiene su propio glicoma distinto,
que es diferente de la célula embrionaria de donde viene.
Resulta que el glicoma también cambia durante enfermedades.
Así que si nos fijamos en la colección completa
de glicanos cuando una célula está en estado saludable, normal,
es diferente de la colección de glicanos
que hay cuando esa célula es cancerosa.
Ahora bien, éste es un descubrimiento muy interesante
desde la perspectiva de la medicina clínica.
Porque si pudiéramos realmente ver cómo el glicoma
cambia en las células del cuerpo humano,
podríamos detectar cánceres.
Y por esa razón, como se verá más adelante en mi segunda conferencia,
estamos muy interesados en desarrollar herramientas para visualizar el glicoma,
para ver el glicoma dentro de un cuerpo vivo.
Así que tengan eso en cuenta.
Ahora voy a contar un poco sobre el origen de
estos glicanos al interior de la célula.
Porque son los productos
de vías metabólicas bastante complicadas.
Son productos del metabolismo,
y todo eso comienza con la absorción de azúcares simples en las células.
Y estos azúcares simples se llaman monosacáridos,
y se denotan por estas pequeñas bolas de color.
Estas son moléculas de azúcares simples.
Entonces, ingerimos alimento. El alimento contiene azúcares,
y nuestras células absorben los azúcares simples. Ahora, dentro de la célula,
los bloques de monosacáridos son procesados por enzimas.
Eventualmente, los bloques son enviados a
compartimentos subcelulares que llamamos
el retículo endoplasmático (RE), o la sala de emergencias,
y al compartimiento de Golgi.
Y estos orgánulos limitados por membranas son básicamente
una línea de ensamblaje para la construcción de glicanos complejos
desde simples bloques de monosacáridos.
Por lo tanto, los glicanos son construidos dentro del RE y el Golgi,
son unidos a proteínas o lípidos,
y luego finalmentelas proteínas y los lípidos,
o glicoproteínas y glicolípidos,
se entregan a la membrana plasmática, donde las células
ahora están recubiertas con estas moléculas de azúcar.
Déjenme contarles sobre los bloques de monosacáridos.
En primer lugar, debo decir que hay muchos de estos azúcares en la naturaleza,
y los diferentes organismos tienen diferentes colecciones.
Así que sólo estoy mostrando los monosacáridos
que se pueden encontrar en glicanos de vertebrados,
que son distintos de los monosacáridos que se encontrarían
en bacterias, o incluso plantas, pero éstos son los que tenemos dentro de nuestros cuerpos.
Y hay nueve de ellos.
Por lo tanto, éste es un buen número para recordar:
hay 9 bloques de monosacáridos,
así como hay 4 nucleótidos en el ADN,
o 20 aminoácidos en las proteínas.
Y cada uno de estos bloques de monosacáridos
tiene un nombre diferente, y también tenemos abreviaturas
que se utilizan para denotarlos rápidamente.
Así, por ejemplo, muchos de Uds. están familiarizados con este azúcar, llamado glucosa.
La glucosa es realmente la madre de todas las otras unidades de monosacáridos.
De hecho, las células podrían construir cualquiera de estos otros bloques
a partir de la glucosa, si tuviera que hacerlo.
Y la glucosa se conoce por el acrónimo Glc,
y a menudo decimos simplemente "Glick",
una palabra simple y pequeña para denotar la glucosa.
Algunos de estos azúcares son quizás más exóticos
en sus estructuras, por ejemplo, éste.
Se llama monosacárido ácido siálico.
Tiene más átomos de carbono que los otros azúcares.
También tiene este carboxilato. Tiene una carga negativa,
y voy a volver al ácido siálico más tarde
porque ocurre en algunas circunstancias biológicas interesantes.
Ahora tenemos una terminología que usamos para
describir las estructuras de glicanos superiores.
Estas son estructuras que se componen de varios bloques de monosacárido.
Así, por ejemplo, la glucosa es simplemente un monosacárido,
y muchas veces la consideramos un azúcar metabólico.
Pero si tomas la glucosa y la vinculas a otro azúcar
que es la galactosa, estos dos juntos hacen un disacárido
que se conoce como la lactosa, que quizás también conocen
porque es abundante en la leche.
Es un disacárido de la leche.
Es DI-sacárido porque tiene dos unidades de monosacárido.
Y aquí hay una estructura de lo que podríamos llamar un oligosacárido
o un polisacárido, que son términos que se utilizan indistintamente.
Esta es una estructura mucho más grande que tiene muchas copias
de glucosa, todas unidas en un polímero largo.
Esta estructura es la celulosa.
Es el principal componente de las paredes celulares vegetales,
y de hecho, es el material orgánico más abundante sobre la tierra.
Es muy importante entender la estructura de la celulosa.
Ahora, cuando ligamos monosacáridos
para hacer estos glicanos más grandes,
necesitamos terminología para describir la naturaleza de esos vínculos.
De esta manera, los glicanos son más difíciles
y estructuralmente más complicados
que otros biopolímeros como el ADN, el ARN o las proteínas.
La diferencia es que esos otros biopolímeros son lineales,
y todos los enlaces, sean amidas en las proteínas
o fosfodiésteres en los nucleótidos,
todos los enlaces son iguales.
Pero para los glicanos, cada enlace puede ser diferente
y en lugar de simplemente ser lineales,
los glucanos también pueden ser ramificados.
Y también tenemos problemas con lo que llamamos estereoquímica,
que tiene que ver con la orientación de los vínculos.
Por lo tanto, es más complicado. Así que para darles
una idea de lo complicado que puede ser,
lo que estoy mostrando aquí es la estructura de un trisacárido.
Así que sólo hay tres pilares
de monosacáridos unidos.
Es una estructura bastante simple,
en comparación con algunos otros glicanos en la naturaleza.
Pero incluso con este trisacárido,
tenemos que describir no sólo la orientación
de cómo cada uno de estos azúcares se vincula a la siguiente,
sino también la posición de cada azúcar al cual hay azúcar vinculado.
Porque, como Uds. verán, cada uno de estos azúcares tiene varios grupos hidroxi.
Y cada grupo hidroxi podría ser potencialmente
un sitio de unión a otro azúcar.
Por lo tanto, tenemos que entende cada azúcar,
tanto la regioquímica de su vinculación,
que es la orientación, o mejor dicho la posición,
así como la estereoquímica,
que es la orientación.
Por ejemplo, aquí al final hay una galactosa,
y está unida al grupo hidroxi en la posición 4
de N-acetilglucosamina. Ese vínculo 1-4 es la regioquímica.
Y esta orientación de un enlace
es lo que llamamos la estereoquímica,
y la definimos como enlace beta.
En contraste, este residuo de fucosa
está vinculado a lo que llamamos un enlace alfa,
al grupo 3-hidroxi de N-acetilglucosamina.
Así que si tomamos toda esa información en conjunto,
podemos describir el trisacárido
como una beta galactosa 1-4
ligada a N-acetilglucosamina, y a la vez en paréntesis
una fucosa ligada por alfa 1-3 a la misma N-acetilglucosamina.
Así que pueden ver que se pone bastante difícil,
pero hay algunos elementos simples de la estructura
que son fáciles de recordar.
Con el ADN pensamos en un extremo 5' y un extremo 3';
con proteínas pensamos en un extremo N y un extremo C.
Bueno, en los glicanos también hay dos extremos distintos.
Los llamamos el extremo no reductor y el extremo reductor.
Así que al menos se puede pensar en un glucano en términos de dos extremos.
Y si se necesita más detalles acerca de la estructura,
hay que entender lo que llamamos
regioquímica y estereoquímica.
Bien. Ahora, como he dicho, es una estructura simple.
En la naturaleza estas estructuras pueden ser mucho más complicadas.
Por eso elegí esta diapositiva para mostrarles ejemplos
de estructuras de glicanos que se han encontrado en las glicoproteínas humanas.
Son ejemplos de dos variedades,
una de las cuales se llama N-glicano.
Lo llamamos un N-glicanos porque se adjunta
a un átomo de nitrógeno en la cadena lateral
de un residuo de asparagina dentro del andamiaje de la proteína.
Esta variedad se denomina O-glicano.
Es un O-glicano porque está unido al átomo de oxígeno
en la cadena lateral de serina o treonina
que está dentro del andamiaje de la proteína.
Y como se puede ver, este N-glicano en particular está ramificado.
Tiene estas dos ramas. Los llamamos antenas.
Resulta que estos N-glicanos
pueden tener tres antenas o cuatro.
Pueden ser mucho más complicados que eso.
Y aquí, éste es un O-glicano que también tiene un
punto de ramificación y luego otro.
Es una estructura bastante complicada, pero hay una cosa que hemos aprendido
mirando todos los glicanos diferentes en el glicoma:
es que estas estructuras no son arbitrarias.
De hecho, algunos elementos de las estructuras están muy conservados
en organismos particulares. Los invertebrados, por ejemplo: allí
los N-glicanos pueden ser muy diversos en las partes
que están aquí en las estructuras de la antena.
Sin embargo, esta parte aquí que está cerca de la proteína de andamiaje
está generalmente muy conservada,
y es similar para todos los glicanos.
Del mismo modo, en la familia de los O-glicanos hay mucha diversidad,
pero este azúcar se conserva siempre.
Es siempre el mismo azúcar que está unido
de la misma manera a la columna de la proteína.
Así que hay partes conservadas y variables de estos glucanos.
Mencioné que los glicanos
se ensemblan al interior del aparato Golgi y del retículo endoplásmico.
Y hay enzimas que residen en los
compartimentos que hacen esta química enzimática.
Llamamos estas enzimas glicosiltransferasas.
Ahora, pensaba mencionar un punto de interés histórico,
que es que el descubrimiento de este mecanismo de biosíntesis
se atribuye principalmente a Luis Leloir, quien en la década de 1950
descubrió que el glucógeno, que es una forma de almacenamiento de la glucosa
en sistemas de vertebrados, se construye a partir de un precursor biosintético
donde la glucosa está vinculado a un nucleótido difosfato,
y esto lo llamamos nucleótidos de azúcar, UDP-glucosa.
Aquí está la parte UDP, difosfato de uridina,
y allí está la glucosa.
Ahora bien, éste fue un descubrimiento importante porque sugiere
un mecanismo por el que los glicanos en general
pueden ser sintetizados, y de hecho
la importancia de los descubrimientos de Leloir fue reconocida con un Premio Nobel.
En el sentido hacia adelante, la forma en que el glucógeno
se ensambla es a través de la acción
de una enzima que se podría clasificar como una glucosiltransferasa.
Se transfiere una glucosa al polisacárido creciente.
Y el sustrato que utiliza es, de nuevo, la UDP-glucosa.
Ahora, resulta que todas las glicosiltransferasas,
bueno, no todas, pero la mayoría de las glicosiltransferasas
utilizan sustratos que son similares a este azúcar difosfo nucleósido.
Y sólo voy a mostrar ejemplos de, una vez más, la biología de los vertebrados.
Muchos de los azúcares se pueden encontrar en esta forma UDP, no sólo glucosa,
pero también galactosa, N-acetilgalactosamina,
y N-acetilglucosamina.
Mientras que algunos de los azúcares se encuentran vinculados
en la forma de un GDP-nucleósido,
por ejemplo el GDP-manosa y el GDP-fucosa
Y estos son los sustratos
para sus respectivas glicosiltransferasas.
Y el ácido siálico se queda más o menos solo en la biología de vertebrados
porque su forma activa es una citidina
monofosfato, o ácido CMP-siálico.
Y hay una familia de sialil transferasas
que todos utilizan como lo que llamamos un donante de glicosilo.
Así que éstos son los sustratos que se hacen
al interior de las células y son utilizados por las enzimas.
Para darles una idea de cómo las enzimas
podrían ensamblar un tetrasacárido,
éste es un camino que se encuentra en sistemas de vertebrados
así que este disacárido se sintetiza,
y luego una sialil-transferasa quitará
el ácido siálico de CMP-ácido siálico
y lo transferirá a este azúcar,
convirtiendo el disacárido en trisacárido.
Entonces, llega una fucosiltransferasa,
que transferirá la fucosa de la GDP-fucosa
y convertirá el trisacárido en tetrasacárido.
Este tetrasacárido particular tiene algunas
propiedades biológicas muy interesantes.
Voy a volver a eso más adelante en esta conferencia.
En la historia de la glicobiología,
probablemente uno de los descubrimientos más importantes que
realmente comenzó a atraer un gran interés desde fuera del campo
fue el descubrimiento en el medio del siglo pasado
de los grupos sanguíneos humanos.
Ahora, éste es un descubrimiento que ha tenido enormes implicaciones
con respecto a la comprensión de la inmunología y el sistema inmune humano.
y también es un descubrimiento que fue central
para el desarrollo de las transfusiones de sangre.
Por supuesto, la transfusión de sangre
es uno de los procedimientos clínicos más importantes.
Resulta que el tipo de sangre
se determina por azúcares.
Así que espero que todos Uds. conozcan su tipo de sangre.
Les puedo decir que la mía es O positiva.
Algunos de Uds. podrían tener sangre del tipo A. Algunos tendrán el tipo B,
y otros tendrán r el tipo AB.
Bueno, lo que significa ser O, o A, o B
o AB es simplemente las estructuras de los azúcares en las células sanguíneas.
Por ejemplo, como alguien que tiene sangre del tipo O,
eso significa que mis glóbulos
tienen esta estructura trisacárida
en la superficie, en las glicoproteínas y algunos de los glicolípidos.
Eso me define como perteneciente al grupo sanguíneo O.
Ahora, algunos de Uds. tienen sangre del tipo A.
Lo que esto significa es que Uds.
también tienen este azúcar que es biosintetizado en sus células,
pero tienen una enzima que yo no tengo.
Esta enzima transfiere este nuevo azúcar
al trisacárido para construir un tetrasacárido.
Y si Uds. tienen este tetrasacárido particular en sus células sanguíneas,
tienen el tipo de sangre A, por definición.
Ahora, aquellos de Uds. que son de sangre tipo B
tienen una enzima ligeramente diferente.
En lugar de transferir este azúcar rojo.
que es N-acetilgalactosamina,
su enzima transfiere el azúcar verde,
que es galactosa. Así que cuando la galactosa
se añade a esta trisacárido,
se obtiene un tetrasacárido, que es ligeramente diferente.
Y éste es el tetrasacárido B.
Así que esas personas tienen el tipo de sangre B.
Para aquellos que se interesan en los detalles químicos,
si se fijan bien en las estructuras A y B,
se darán cuenta de que hay un solo grupo químico funcional
que es diferente entre estas dos estructuras.
Es muy sutil. Así que aquí, en la sangre de tipo A
hay un grupo N-acetilamido,
un grupo N-acetilo. Aquí en sangre del tipo B, es un grupo hidroxi.
Esa es la única diferencia.
Y, sin embargo, el sistema inmuno humano
es tan exquisitamente sensible a las diferencias estructurales
que puede detectar
la diferencia entre estos dos al instante.
Y es por eso que si Uds. tienen sangre del tipo A y por accidente
reciben una donación de sangre del tipo B,
su sistema inmune reacciona contra esto y rechaza la sangre.
Y eso es un desastre.
Por lo tanto, comprender las estructuras de los grupos sanguíneos humanos
y lo que significan para el sistema inmune
era absolutamente crítico para que se hicieran transfusiones de sangre.
Y por cierto, aquellos de Uds. que tienen el tipo de sangre AB,
lo que tienen es esta enzima y ésa.
Tienen una enzima de la madre y otro del padre
y pueden hacer una mezcla de 50/50 de estas dos estructuras.
Eso es lo que tienen en sus células sanguíneas.
Así que es considerado un verdadero descubrimiento clásico en el campo de la glicobiología.
Una vez más, se remonta a mediados y fines del siglo XX,
pero hoy en día hay mucho que hacer en el campo.
Y los grandes descubrimientos que se han hecho
ahora ha creado oportunidades
para tratar enfermedades muy graves.
Voy a tomar un momento para darles
un poco de historia con respecto a dos descubrimientos en el campo
que están atrayendo mucha atención en el mundo clínico de hoy.
El primero de ellos tiene que ver con el mecanismo
de la infección por el virus de la gripe,
que también llamamos la gripe.
Y el segundo tiene que ver con la forma
en que los glóbulos blancos, también llamados leucocitos,
se adhieren a las células endoteliales,
que son las células que recubren los vasos sanguíneos.
Resulta que cuando las células blancas de la sangre
comienzan a pegarse al costado de los vasos sanguíneos,
eso puede conducir a la inflamación,
que está implicada en varias enfermedades.
Así que vamos a empezar por hablar un poco acerca de la gripe.
Ahora la influenza ha sido un importante problema de salud mundial
que data realmente de hace cientos y cientos de años.
Pero una de las primeras pandemias de influenza documentadas
fue la famosa pandemia de 1918,
que acabó con una gran parte de la población.
Más de 70 millones de muertes se han atribuido
a la pandemia de gripe en particular;
son más que las muertes asociadas a
las dos Guerras Mundiales juntas.
Así que ésta fue una causa de muerte importante en los primeros años del siglo XX,
y de hecho escenas como ésta, donde enormes almacenes
o incluso hangares fueron despejados
y llenados de pared a pared con camas para pacientes
que trataban de sobrevivir a su ataque de gripe...
ésta fue una imagen común durante ese período de la historia.
Se han hecho películas sobre esta crisis,
y sin duda muchos libros se han escrito sobre ella.
Esto fue una lección para la humanidad de que el virus de la influenza,
aunque muchos de nosotros contraemos la gripe y nos recuperamos bien,
que esto no debe tomarse a la ligera.
La gripe puede ser muy letal,
especialmente para personas mayores y niños pequeños.
Así que por esta razón, en la última década se ha hecho un montón de trabajo
en el desarrollo de vacunas contra la gripe.
Y ha sido un problema muy difícil,
porque, como muchos de Uds. saben,
la gripe es un virus altamente cambiante.
Se puede mutar muy rápidamente,
de modo que la cepa de la gripe contra la cual que se vacuna este año
se transforma y cambia
y el próximo año es bastante diferente de la vacuna y ésta ya no funciona.
Por esa razón, los científicos y médicos están siempre tratando
de estar un paso más allá que la gripe.
Cada año Uds. se vacunan otra vez contra la gripe,
lo cual, ojalá, los protegerá de la cepa de la gripe de ese año,
aunque no pueda hacer mucho para el año siguiente y así sucesivamente.
Sin embargo, con los avances de la última década o dos décadas,
ahora tenemos vacunas contra la gripe bastante confiables
que podemos conseguir todos los años, y espero que Uds. puedan ir a vacunarse
este año contra la gripe. Saqué esta imagen de la web
porque pensé que les interesaría saber
que la vacuna contra la gripe es realmente generada en huevos de gallina.
Utilizamos los huevos como pequeñas fábricas para hacer estas vacunas
y lo que estamos viendo aquí es un científico
que está básicamente inyectando los huevos con una cepa de gripe
que luego se propaga en ellos.
Así que traten de vacunarse contra la gripe si pueden.
Sin embargo, como muchos de Uds. saben si han prestado atención a las noticias
en los últimos meses, protegerse de
lo que creemos que será cepa de la gripe el año que viene
no significa que uno esté protegido de todas las formas
de influenza. Y una de las características más aterradoras de
la influenza es que a veces tiene la capacidad
de pasar de un organismo a otro.
Por lo tanto, existen cepas de influenza que normalmente contraen las aves,
y algunas de ellas han sido tan catastróficas para la industria avícola
que hay interés en vacunar los pollos contra la gripe
de la misma manera que nosotros nos vacunamos contra ella.
Pero si la gripe aviar se mete en un ser humano, puede dejarlo muy enfermo
Entonces muchos de Uds. han oído hablar
acerca de estos incidentes locales de gripe aviar
en los seres humanos, y éste es un mapa que muestra dónde
algunos de esos casos de gripe aviar se han identificado.
Hasta ahora, la buena noticia sobre la gripe aviar
es que, si bien podemos contraerla de un pájaro
y enfermarnos mucho, parece que
no podemos después transmitirla a otro ser humano.
Ahora, éste no es el caso del espantoso brote
de influenza más reciente, que ha sido llamado la gripe porcina.
Se trata de una gripe que se cree que proviene de cerdos
y luego se trasladó a los seres humanos.
También se le llama influenza H1N1,
y les mostraré en un momento de dónde vienen esos términos.
Básicamente la gripe porcina puede pasar de los cerdos a los seres humanos, pero
ahora también puede pasar de persona a persona,
lo que significa que la gripe porcina es un riesgo de pandemia mucho mayor
por la transmisión de humano a humano.
Afortunadamente, hasta el momento parece que es una forma bastante leve de la gripe,
pero se han reportado muchos casos,
la mayoría de ellos en Norteamérica
y muchos aquí en los EE.UU.,
como se puede ver en este mapa.
Así que hay muchas razones por las que queremos entender
a nivel molecular cómo funciona la gripe.
Así que podemos desarrollar mejores vacunas y también generar medicamentos
para ayudar a tratar a las personas que han contraído la gripe,
cuando la vacuna ya no es pertinente.
Así que se ha hecho mucha investigación sobre el virus de la influenza,
hasta las moléculas individuales
que están implicadas en el ciclo de infección.
Y lo que se descubrió a partir de los años 70 y 80
es que en las etapas muy tempranas de la infección por el virus de la gripe
hay azúcares involucrados. Y de hecho, esta etapa es la etapa
en la que la partícula del virus de la gripe,
que se muestra aquí en esta micrografía electrónica,
se adhiere a la célula huésped humana que está destinada a infectar.
Hay azúcares que intervienen en esa primera interacción
entre la partícula y el huésped.
Ahora, el anfitrión genera nuevas partículas virales,
que luego brotan y dejan al huésped,
y resulta que hay azúcares que intervienen en ese paso también.
Les mostraré cómo. Bien.
Así que, aquí hay una caricatura que ilustra la anatomía
del virus de la gripe. Es un virus encerrado en una membrana
con un núcleo que tiene tanto ARN como proteínas.
Pero hay dos proteínas que se sientan en la envoltura de la membrana
del virus, y esas proteínas se llaman
hemaglutinina, la que abrevio como H,
y neuraminidasa, la cual abrevio como N.
Recuerden que la gripe porcina es más científicamente denominada H1N1.
Bueno, el H1 es una forma de la hemaglutinina,
y el N1 es una forma de la neuraminidasa.
Ahora sabemos bastante acerca de lo que hacen estas dos proteínas.
De hecho, incluso conocemos sus estructuras moleculares en gran detalle.
La hemaglutinina es un receptor.
Es una proteína que se une a un azúcar,
y ese azúcar pasa a ser ácido siálico
lo cual he mencionado antes.
La neuraminidasa es una enzima
y lo que hace es catalizar
la escisión de ácido siálico de la célula huésped.
Por lo tanto, esta proteína se une al ácido siálico,
lo recorta y lo desecha.
Ahora, cuando se hizo ese descubrimiento,
a muchos científicos les pareció una paradoja.
¿Por qué el virus tiene una proteína que se une al ácido siálico
y otra proteína que
corta ese ácido siálico y lo desecha?
Bueno, les voy a mostrar qué hacen esas dos proteínas.
Resulta que la hemaglutinina
es importante en la primera etapa de la infección
cuando el virus llega a una célula, una célula huésped humana.
La hemaglutinina se une al ácido siálico
y básicamente permite que la proteína, o mejor dicho la partícula del virus,
llegue a la superficie celular. Una vez que eso ocurre,
se produce una endocitosis,
cuando la célula huésped inadvertidamente envuelve la partícula viral en una vesícula.
La membrana del virus se fusiona con la membrana de la vesícula,
y libera el ácido nucleico en la célula.
Y ahora ese ácido nucleico viral se hace cargo de la maquinaria
de la célula y la obliga a generar más partículas virales.
Esas partículas virales rodean la membrana
de la célula huésped, y finalmente una partícula viral nueva
brote de la superficie de la célula,
como he mostrado en esta micrografía electrónica anterior.
Pero recuerden que con toda esa hemaglutinina
la partícula viral podría atascarse
en la superficie celular donde están los ácidos siálicos.
Entonces el trabajo de la neuraminidasa es recortar
estos ácidos siálicos en ese momento
de manera que el virus pueda liberarse
de la célula e ir a buscar otra célula huésped para infectar
y completar el ciclo.
Por eso es que necesitamos estas dos proteínas que afectan el ácido siálico.
Ahora, sabiendo la importancia de la neuraminidasa en el ciclo de vida viral,
muchos científicos pensaban que si esa enzima se inhibe
y se evita este último paso en el ciclo, se podría
parar la propagación del virus de la gripe.
Así que en los 90 se hizo mucho esfuerzo,
incluso a fines de los 80, para desarrollar inhibidores de la enzima neuraminidasa.
Y lo logramos al entender
el mecanismo de la reacción enzimática.
El mecanismo se muestra aquí.
Aquí hay un ácido siálico, e imagínenselo unido a la superficie de una célula
a través de un glicano en una glicoproteína o un glicolípido.
Así que el grupo R es el resto del glicano, o el resto de la glicoproteína.
Lo que ocurre durante la reacción catalizada por la neuraminidasa,
es que se escinde la unión
aquí mismo entre el carbono del anillo de azúcar
y este oxígeno que se llama la unión glicosídica.
Y lo que hace esta enzima es que encuentra una manera de convertir esta unión
en reactiva, por lo que la unión se rompe.
Y hay un estado de transición para esta reacción
en el que se trata básicamente de un cambio en
la hibridación del átomo de carbono
en esta posición, de manera que pasa, como decimos, de un
hibridado sp3 a un hibridado sp2.
Se hace plano y también una carga positiva se desarrolla en el anillo.
Luego eso conduce a la formación de este intermedio,
y entonces el agua del ambiente reacciona con el compuesto intermedio
para formar una molécula de ácido siálico libre,
que luego se aleja flotando.
Bueno, lo que hicieron varias compañías farmacéuticas
fue mirar la estructura de este presunto estado de transición
y tratar de imitar la estructura de estas moléculas sintéticas
que son un poco reminiscentes del ácido siálico.
Por ejemplo, ese compuesto tiene la hibridación sp2 en este carbono
como en el estado de transición
y lo mismo ocurre con éste. Este compuesto
tiene una carga positiva en la forma de este grupo guanidino
y ése tiene una carga positiva en la forma de este grupo amino.
Estas dos moléculas están ahora en el mercado
como medicamentos contra la gripe. Este compuesto se conoce por el nombre comercial de Relenza,
y ése se conoce por el nombre de Tamiflu.
Así que si Uds. sienten los síntomas muy, muy tempranos de la gripe,
pueden ir al médico y obtener una receta para uno u otro
de ellos y tratar de evitar que la gripe realmente inicie.
O si alguien en su familia ha sido diagnosticado con la gripe,
y Uds. están preocupados de contraerlo,
una vez más, es posible tomar una de estas dos drogas
como una medida preventiva,
como profiláctico contra la gripe.
Así que éste es un buen ejemplo de que comprender la glicobiología
de la influenza finalmente llevó a la elaboración de medicamentos para tratar la gripe.
Es una historia muy bonita.
Bien. La otra historia que pensé contarles tiene que ver
con la inflamación. Así que, como he mencionado antes,
a veces sucede que los glóbulos blancos, que normalmente
fluyen libremente por el torrente sanguíneo, se encuentran
adheridos a las células endoteliales que recubren la pared del vaso sanguíneo.
Cuando eso ocurre, es una noticia generalmente mala
porque significa que podrías
estar luchando contra una enfermedad inflamatoria.
Por lo tanto, durante la inflamación este endotelio se activa,
y allí aparecen moléculas
que normalmente no estarían allí.
Como consecuencia, las moléculas pueden unirse
a otras en los leucocitos,
y ahora las células se unen una a otra.
Debido a que la sangre está fluyendo, la unión inicial
es lo que consideramos una unión débil,
en que las células están como rodando por la pared del vaso sanguíneo.
Debido a que la sangre las empuja,
sólo están unidas débilmente.
Pero con el tiempo, llegarán a ser resistentes,
y de hecho pueden incluso volverse migratorias,
atravesando las células endoteliales
y entrando en el tejido circundante.
Si sus leucocitos dejan el torrente sanguíneo
y entran en el tejido, que es un proceso llamado extravasación,
los leucocitos pueden dañar el tejido
y básicamente causar el dolor
y la hinchazón asociados con la inflamación.
Esta es una foto, no de un tejido inflamado,
sino de un vaso sanguíneo en el ganglio linfático,
donde resulta que las células blancas de la sangre
normalmente se encuentran unidas a la pared de los vasos sanguíneos.
Esto se debe a que el nodo linfático está constantemente recogiendo
leucocitos de la circulación sanguínea,
y los colecta en los ganglios linfáticos
es parte de la función del nódulo linfático.
Pero es una buena foto porque ilustra
que lo que es normal en el ganglio linfático
sería muy anormal fuera de los ganglios linfáticos.
Y si vieran esta situación fuera de los ganglios linfáticos,
lo más probable es que sería una reacción inflamatoria,
y tal vez una enfermedad inflamatoria.
Es un proceso bastante llamativo.
Entonces, ¿qué sabemos sobre cómo interactúan los leucocitos
con las células endoteliales?
Resulta que muchas proteínas están involucradas en este evento de adhesión intercelular,
pero los azúcares están implicados también,
particularmente en esa etapa muy temprana de la laminación.
Así que a fines de los 80 y principios de los 90,
se descubrió que una familia de proteínas de unión de glicano estaba involucrada
en la rodadura de leucocitos, y llamamos a esa familia la familia selectina
de moléculas de adhesión. Hay tres miembros en esta familia:
dos de los miembros residen en las células endoteliales activadas.
Vienen cuando las células endoteliales son estimuladas
con una señal inflamatoria,
y los dos se llaman P-selectina y E-selectina.
Hay una tercera selectina que se encuentra en los leucocitos
y se llama L-selectina.
L-selectina generalmente está en los leucocitos,
pero necesita unirse a un azúcar que está en
las células endoteliales, y ese azúcar generalmente no está presente
a menos que haya inflamación.
Del mismo modo, P-selectina y E-selectina
se unen a azúcares que se encuentran en los leucocitos,
y a veces dos selectinas con sus dos azúcares pueden interactuar
al mismo tiempo para ayudar a los leucocitos
rodar en el endotelio.
Los científicos se interesaron mucho
en este sistema porque se dieron cuenta
de que si se pudiera evitar la unión de la selectina L, E o P
a estas moléculas de azúcar diferentes,
se podría bloquear el reclutamiento de leucocitos en el tejido
durante una enfermedad inflamatoria
y se podría básicamente crear un fármaco anti-inflamatorio.
Si se pudiera hacer eso, tal vez se podría tratar
una gran cantidad de enfermedades diferentes que se sabe que
implican la extravasación
de leucocitos en el tejido.
Y éstas incluyen la artritis reumatoide,
que es la inflamación de las articulaciones,
y el asma crónica, la inflamación de los bronquios en los pulmones.
Se podría prevenir
el rechazo de órganos trasplantados,
que son reconocidos como extrañas por el sistema inmune.
La psoriasis, que es una inflamación de la piel.
La enfermedad inflamatoria intestinal,
que es la inflamación del colon,
y varias otras enfermedades
que padecen muchas personas.
Así que la conclusión es que los inhibidores de la adhesión celular
mediada por selectina podrían ser utilizados para tratar todas
estas enfermedades. Un espectro muy amplio de drogas anti-inflamatorios.
Esto se ha vuelto en un reto difícil,
en parte porque la forma en que las selectinas
se unen a azúcares en realidad no se presta para la creación de inhibidores,
a diferencia de la forma en que pudimos hacer
inhibidores de la neuraminidasa de la gripe.
Lo que sí sabemos es que las
tres selectinas se unen a este tetrasacárido,
que se conoce con el nombre común sialil Lewis x.
Y para aquellos de Uds. que se están centrando en los detalles químicos,
quizás reconocen que ésta es la misma estructura
que mostré en una diapositiva anterior,
donde yo estaba ilustrando cómo la glicosiltransferasas
construyen estructuras complejas a partir de bloques simples.
Sialil Lewis x tiene ácido siálico en su extremo no reductor,
vinculado a la galactosa y la N-acetilglucosamina,
y después conectada a ese mismo azúcar está la fucosa.
Estos son los cuatro azúcares.
Así que las tres selectinas se unen todas a esta estructura,
pero resulta que se unen a ella más de una forma bastante débil.
Así que la constante de disociación, que es una medida de la afinidad de unión,
es sólo alrededor de 1 milimolar,
por lo que se considera una interacción muy débil.
Ahora, Uds. podrían preguntarse, si la interacción es tan débil,
cómo es que las selectinas
pueden facilitar que dos células se unan siquiera?
Pues resulta que en la naturaleza
el azúcar no se queda solo.
Se muestran de forma multivalente en andamios de glicoproteína.
Entonces las selectinas tienen ligandos profesionales
en el cuerpo, que son glicoproteínas con muchas, muchas copias
de ese azúcar, sialil Lewis x.
Por ejemplo, hay tres de estas
glicoproteínas que se sabe que se unen a L-selectina.
Tienen estos tres nombres científicos,
pero básicamente lo que todas comparten
es un largo tallo de proteína con muchas copias
del azúcar que se ilustra en esta estructura parecida a un cepillo de pelo,
donde se puede imaginar que cada cerda es una molécula de azúcar diferente
y todas están exhibidas en este único tallo largo.
Dicho sea de paso, resulta que el azúcar no está solo
en esta estructura. Hay grupos sulfato en la molécula de azúcar
y esos grupos también contribuyen a la afinidad de unión.
P-selectina también tiene un ligando profesional
que se conoce como PSGL-1,
lo cual significa ligando P-selectina o glicoproteína ligando-1.
Y de nuevo, hay muchos, muchos azúcares
que son como las cerdas de un largo cepillo de pelo
y también algunos grupos de sulfato que están involucrados
en la unión. Así que in vivo, la situación es muy complicada.
Los azúcares están involucrados,
pero están implicados de una manera multivalente.
Bueno, los científicos en los últimos años
se han dado cuenta de que si quieren inhibir
la unión multivalente entre dos objetos,
dos células, un virus y una célula
o una bacteria y una célula, la mejor manera de hacerlo no es
con un inhibidor monomérico,
sino más bien con un inhibidor multivalente.
En otras palabras, si dos células interactúan
a través de múltiples interacciones débiles entre receptores y ligandos,
y cada una de estas interacciones podría ser una selectina y un azúcar,
entonces lo mejor para competir con esta situación
es usarun inhibidor que también tiene múltiples copias
del ligando. Así que el inhibidor, en otras palabras,
debe imitar a la célula, no debe ser un monómero simple.
Y este tipo de inhibición puede ser mucho más efectivo.
Como ejemplo de lo que está pasando en el campo,
resulta que se puede lograr
ese tipo de exhibición de ligandos multivalentes
usando una variedad de arquitecturas.
Una de ellas es usar un liposoma.
Un liposoma es una pequeña imitación de células encerradas en membranas.
Se trata básicamente de una bicapa lipídica en un pequeño círculo con nada adentro necesariamente.
Y podemos hacer esto por síntesis.
La forma en que se hace es tomando lípidos y mezclándolos
de tal manera que formen esta estructura parecida a una bicapa.
Por lo general estos liposomas tienen dimensiones nanométricas,
de diez a cien nanómetros,
son mucho más pequeños que las células.
Y si uno de los lípidos tiene un azúcar en el extremo
que puede unirse a las selectinas,
entonces básicamente terminamos con un liposoma
que tiene azúcar y sirve
para mostrar los azúcares de forma polivalente.
Y estos tipos de liposomas recubiertos de azúcar,
éste es sólo un ejemplo de una arquitectura multivalente
que se ha utilizado para inhibir la adhesión celular mediada por selectina
con una afinidad y potencia muy altas.
Son mucho más potentes que los azúcares individuales.
También debo señalar que el liposoma es sólo
un ejemplo. Muchos grupos han hecho polímeros de azúcares,
por lo que tienen azúcar multivalente exhibido en un polímero.
Los grupos han hecho dendrímeros, que son estructuras parecidas a estrellas,
y se puede imaginar todo tipo de estructuras
donde hay muchos, muchos azúcares exhibidos
en un andamio, en lugar de sólo uno.
Por lo tanto, es un área de interés en el campo,
pero creo que todavía nos queda un largo camino por recorrer
antes de que estos inhibidores multivalentes de la selectina
lleguen a la práctica clínica.
Pero hay caminos apasionantes por delante.
Bien. Por lo tanto, permítanme terminar esta conferencia
con tres mensajes que pueden llevar a casa
y deben tratar de recordar.
Primero, recuerden que glicanos tienen estructuras complejas.
Y esas estructuras cambian cuando una célula experimenta cambios
fisiológicos. El glicoma de una célula sana es diferente
del glicoma de una célula de cáncer.
Y esto va a ser importante en la próxima conferencia
como explicaré luego.
Además, los glicanos pueden contribuir
directamente a los procesos fisiológicos importantes
que están asociados con la enfermedad humana.
Los azúcares pueden ser ligandos para los virus y las bacterias.
Y a veces, cuando los azúcares
en una célula interactúan con receptores de otra célula,
esa interacción célula-célula puede ser perjudicial,
como en el caso de la inflamación crónica.
Y, finalmente, si podemos entender a nivel molecular
cómo los azúcares contribuyen a la enfermedad,
entonces podríamos desarrollar nuevos agentes terapéuticos
para ayudar a tratar estas enfermedades.
Y espero que Uds. hayan encontrado esto tan interesante como
lo encuentro yo junto a los estudiantes
y postdocs que trabajan en mi laboratorio. Gracias.