Un equipo de CIC bioGUNE desarrolla una estrategia capaz de identificar componentes celulares implicados en enfermedades humanas

Los sustratos específicos, proteínas diana de la ubiquitina, de la mayoría de las enzimas E3 ligasas son desconocidos
Las enzimas E3 ligasas de ubiquitina, muy importantes para el funcionamiento del organismo, son las encargadas de seleccionar y marcar con ubiquitinas numerosas proteínas para enviarlas al proteosoma para su degradación o para alterar su localización celular
Esta investigación, que utiliza estrategias innovadoras para redirigir la degradación celular y así eliminar las proteínas causantes de diversas enfermedades, ha sido publicada en Nature Communications

Un equipo de CIC bioGUNE ha desarrollado una estrategia capaz de identificar los sustratos específicos sobre los que actúan las enzimas E3 ligasas. El laboratorio de Ubiquitina y Desarrollo, liderado por la doctora Rosa Barrio en CIC bioGUNE, miembro de BRTA, ha implementado la estrategia BioE3, que ha identificado los sustratos de cinco E3 ligasas diferentes. Estas ligasas, que están implicadas en enfermedades humanas, incluyendo algunas enfermedades minoritarias y el cáncer, se localizan en distintos compartimentos subcelulares y con distinta regulación.
La importancia de la estrategia BioE3 está relacionada con el papel fundamental que tienen las enzimas E3 ligasas para el desarrollo de nuevas terapias y fármacos a través de la Degradación Dirigida de Proteínas (TPD, de sus siglas en inglés Targeted Protein Degradation).

El trabajo, que se ha desarrollado durante los últimos tres años, ha sido publicado por la revista científica Nature Communications. La investigación abre la puerta para el desarrollo de futuros fármacos que tengan como diana terapéutica proteínas humanas involucradas en enfermedades.

“A pesar de existir más de seiscientas E3 ligasas en el proteoma humano, sólo un puñado de ellas se usan hoy en día para el desarrollo de fármacos TPD. La mayor parte de los substratos de las E3 ligasas son todavía desconocidos y existe una necesidad imperiosa de caracterizar nuevas E3s y de identificar sustratos de E3s de interés, así como nuevos substratos adquiridos tras el tratamiento con medicamentos TPD. Sin embargo, la identificación de sustratos directos de E3s de interés sigue siendo un gran desafío y se ha dedicado un tiempo considerable a la búsqueda de metodologías robustas y fiables para ese propósito. En los últimos años, se han desarrollado nuevas estrategias, aunque la mayoría de ellas son indirectas y no permiten distinguir sustratos directos frente a sustratos secundarios o frente a otras proteínas que interaccionan con las E3s o interactores”, señala Rosa Barrio.

Además, dependiendo de la función de cada E3, estas enzimas pueden también estar implicadas en enfermedades diversas (enfermedades minoritarias, cáncer, etc.), por lo que la caracterización de sus sustratos nos ayudará a entender su mecanismo de acción y a buscar tratamientos eficaces para dichas enfermedades.
El sistema ubiquitina-proteasoma es la base de un proceso fundamental en el interior de las células, que regula la degradación de proteínas que han llegado al final de su vida activa, bien porque su función ya no es deseada o bien porque están dañadas. En concreto, el proceso de degradación natural comienza con la unión de una proteína pequeña, llamada ubiquitina, a las proteínas diana que se necesita degradar, y esta unión se lleva a cabo mediante una serie de enzimas específicas. Las alteraciones de este proceso puede dar lugar a múltiples enfermedades, como el cáncer o algunas enfermedades neurodegenerativas.

“Las enzimas E3 ligasas son importantes porque confieren especificidad al sistema. Por un lado, se unen a dichas dianas, que son sus sustratos específicos que hay que degradar. Por otro lado, facilitan la unión de la ubiquitina a dichos sustratos, que así quedan marcados para su degradación. Por tanto, las proteínas ubiquitinadas son reconocidas por el proteasoma, que es la maquinaria molecular degradativa. A pesar de ser unas enzimas muy importantes para el funcionamiento del organismo, la mayor parte de los sustratos específicos de la mayoría de las E3 ligasas son desconocidos”, explica Rosa Barrio en relación a las causas que han motivado la investigación.

Respecto a los obstáculos que se han tenido que salvar durante esta investigación, la investigadora de CIC bioGUNE subraya que “el principal objetivo de nuestro grupo, al inicio del proyecto, era desarrollar una estrategia robusta que permitiera la identificación de sustratos específicos, y diferenciarlos de otras proteínas que también pudieran interaccionar con las enzimas E3, pero que no fueran modificados por éstas. Para ello tuvimos que adaptar la tecnología de BirA y biotinilación. Esto nos llevó más de un año, ya que tuvimos que realizar experimentos múltiples de control y de validación para demostrar que las proteínas identificadas, marcadas por biotina, eran realmente los sustratos de las enzimas E3 ligasas. Finalmente, conseguimos desarrollar la tecnología BioE3, y demostrar que es capaz de identificar los sustratos directos de las E3s con la especificidad y sensibilidad requeridas”.
En la investigación del laboratorio de Ubiquitina y Desarrollo de CIC bioGUNE, que lidera la doctora Rosa Barrio, han participado el doctor James D. Sutherland, como investigador senior y responsable del desarrollo conceptual del proyecto; el doctor Orhi Barroso Gomila, que realizó su tesis doctoral en el grupo; y Laura Merino Cacho, que está realizando su tesis doctoral, así como otros componentes del grupo.

Además, el grupo ha colaborado con el doctor Ugo Mayor, investigador Ikerbasque en la Facultad de Ciencia y Tecnología de la UPV/EHU; con el profesor Alfred C.O. Vertegaal, investigador de la Universidad de Leiden (Países Bajos); y con el grupo de la profesora Simona Polo, investigadora en el IFOM (The AIRC Institute of Molecular Oncology, Milán, Italia).