El año pasado el ARN recibió un Nobel (de Medicina), por ello no parecía probable que el ARN volviera a recibir otro Nobel este año (aunque fuese de Fisiología), pero la vida te da sorpresas, sorpresas te da la Academia Sueca. Los padres de los microARN y de su papel en la regulación postranscripcional de le expresión de los genes, los estadounidenses Victor Ambros (70 años), en su momento en la Universidad de Harvard, pero ahora en la Universidad de Massachusetts, Estados Unidos, y Gary Ruvkun (72 años), de la Universidad de Harvard, Estados Unidos, ya tienen su merecido y ansiado Premio Nobel (se incorporaron al Hall of Laureates de Clarivate en 2008). Los microARN (miARN) son cadenas muy cortas de ARN, entre 21 y 25 ribonucleótidos, que son transcritos a partir del ADN celular; pero en contra del dogma central de la biología molecular, que afirma que todo ARN mensajero transcrito se traduce en proteínas, estos miARN tienen una función regulatoria específica. Se descubrieron en el nemátodo Caenorhabditis elegans (animal modelo desde 1963 gracias a Sydney Brenner, quien propuso el ARN mensajero en 1960); en humanos hoy se conocen más de 2000 miARN. La función del miARN es regular la expresión de genes (qué genes se activan y desactivan en una célula), una función que en los 1960 se pensaba que estaba reservada a unas proteínas llamadas factores de transcripción. La regulación postranscripcional por miARN es un proceso clave en el desarrollo embrionario, la diferenciación celular y muchos otros procesos fisiológicos, incluida la proliferación celular detrás del desarrollo de tumores.

Dos de los tres artículos científicos destacados en este galardón se publicaron el mismo día en 1993, en sendos artículos independientes en la revista Cell, liderados por Ambros y Ruvkun, donde desvelaron la regulación postranscripcional de un microARN llamado lin-14; el tercero fue publicado por Ruvkun en el año 2000 en Nature, mostrando dicho rol para otro miARN llamado let-7. Dicen que para ganar un Nobel hay que haber trabajado con un Nobel (Kerri Smith, Chris Ryan, «How to win a Nobel prize,» Nature, 03 Oct 2024). Victor Ambros y Gary Ruvkun son un buen ejemplo, pues fueron becarios postdoctorales de Robert Horvitz (Premio Nobel en 2002 por sus estudios sobre la regulación de genes en el nemátodo C. elegans, junto con Sydney Brenner y John Sulston). En el laboratorio de Horvitz, estudiaron dos cepas del nemátodo con sendas mutaciones en los genes lin-4 y lin-14; en ambas su programa de expresión genética mostraba defectos. Ambros ya había mostrado que el gen lin-4 parecía ser un regulador negativo del gen lin-14. Ambros descubrió que lin-4 codificaba un ARN muy corto, un microARN de 22 ribonucleótidos, que no codificaba ninguna proteína. Ruvkun clonó el gen lin-14 y ambos observaron que la secuencia de lin-4 era complementaria a la de lin-14. Así mostraron que lin-4 no se traduce a una proteína (factor de transcripción) para reprimir la expresión de lin-14. Lo que hace lin-4 es acoplarse a la región no traducida 3′ (3’UTR) de lin-14 de tal forma que evita su traducción a la proteína Lin-14. El descubrimiento de un nuevo principio de regulación genética se consideró revolucionario en 1993. Y, como es obvio, la comunidad científica fue muy escéptica al respecto (quizás era algo propio de C. elegans sin igual en otros organismos). Ruvkun publicó en el 2000 su descubrimiento de otro miARN, codificado por el gen let-7, muy bien conservado y presente en todo el reino animal. La comunidad científica se rindió ante la evidencia y 24 años más tarde Ambros y Ruvkun son galardonados con el más prestigioso premio.

Siempre se dice que hay pocas diferencias entre el número de genes de una mosca y de un humano (Drosophila melanogaster tiene unos 13 600 genes codificantes de proteínas, mientras Homo sapiens tiene unos 20 100 genes). La diferencia en complejidad entre ambos organismos es debida a los mecanismos de regulación de la expresión de dichos genes (D. melanogaster tiene unos 466 miARN, mientras H. sapiens tiene más de 2600 miARN), entre muchos otros factores. Por cierto, Rosalind C. Lee, casada con Ambros, es la primera autora de su artículo de 1993 (quizás alguien reclame que ella también podría haber recibido el galardón). El anuncio oficial del Nobel en YouTube, Nota de Prensa [pdf], Descripción Avanzada [pdf]. Recomiendo leer a Nuño Domínguez, «Premios Nobel Nobel de Medicina a Victor Ambros y Gary Ruvkun por descubrir los microARN», Materia, El País, 07 oct 2024; «Victor Ambros y Gary Ruvkun, Nobel de Medicina 2024 por descubrir el microARN», Agencia SINC, 07 oct 2024. En inglés puedes disfrutar de Ewen Callaway, Katharine Sanderson, «Medicine Nobel awarded for gene-regulating microRNAs,» News, Nature, 07 Oct 2024; Catherine Offord,»‘Out of the blue’ discovery of RNAs that regulate genes wins Nobel,» News, Science, 07 Oct 2024; entre muchas otras fuentes.

Los artículos premiados según la información Nobel son: [1] Rosalind C. Lee, Rhonda L. Feinbaum, Victor Ambros, «The C. elegans Heterochronic Gene lin-4 Encodes Small RNAs with Antisense Complementarity to lin-14,» Cell 75: 843-854 (03 Dec 1993), doi: https://doi.org/10.1016/0092-8674(93)90529-y; Bruce Wightman, llho Ha, Gary Ruvkun, «Posttranscriptional Regulation of the Heterochronic Gene lin-14 by lin-4 Mediates Temporal Pattern Formation in C. elegans,» Cell 75: 855-862 (03 Dec 1993), doi: https://doi.org/10.1016/0092-8674(93)90530-4; y Amy E. Pasquinelli, Brenda J. Reinhart, …, Gary Ruvkun, «Conservation of the sequence and temporal expression of let-7 heterochronic regulatory RNA,» Nature 408: 86-89 (02 Nov 2000), doi: https://doi.org/10.1038/35040556.

[PS 09 oct 2024] Sobre la polémica en relación al porqué Roalind Lee y Rhonda Feinbaum no han compartido el premio con Ambros (relegando a Ruvkun), recomiendo leer a Nuño Domínguez, «Por qué Rosalind Lee, la investigadora esposa del Nobel de Medicina, no lo ha ganado también», Materia, El País, 08 oct 2024; también recomiendo a Antonio Martínez Ron, «El ilustrativo caso de la esposa y “primera autora” que no ha recibido el premio Nobel», Diario.es, 08 oct 2024. [/PS]

El organismo modelo eucariota por excelencia para la investigación genética es el nemátodo Caenorhabditis elegans (C. elegans). Fue propuesto por Sydney Brenner por su corto ciclo de vida, su transparencia y su facilidad para la manipulación genética. Sydney Brenner, John Sulston y Robert Horvitz usaron C. elegans para desentrañar la división celular, la diferenciación y la muerte celular, objeto del Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 2002. En la década de 1970, el laboratorio de Brenner descubrió el mutante lin-4 con un fenotipo sorprendente, en el que faltaban muchos tipos celulares y estructuras morfológicas. En apariencia, lin-4 regulaba un factor clave en el desarrollo de este nemátodo. Más tarde se estudiaron gran número de mutantes heterocrónicos adicionales que exhibían otros defectos en el desarrollo, incluyendo el mutante lin-14, descubierto en el laboratorio de Horvitz en 1987.

Victor Ambros, de Nobel en Nobel, hizo su tesis doctoral sobre el genoma del poliovirus con David Baltimore (Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1975) y se unió en su primer postdoctorado al laboratorio de Horvitz para estudiar lo que diferenciaba a los mutantes lin-14 y lin-4. Publicó en 1984 un artículo en Science sobre las cambios en el desarrollo de ambos mutantes (V. Ambros, H. R. Horvitz, «Heterochronic mutants of the nematode Caenorhabditis elegans,» Science 226: 409-416 (1984), doi: https://doi.org/10.1126/science.6494891). En 1989 descubrió que lin-4 era un regulador negativo de lin-14 (V. Ambros, «A hierarchy of regulatory genes controls a larva-to-adult developmental switch in C. elegans,» Cell 57: 49-57 (1989), doi: https://doi.org/10.1016/0092-8674(89)90171-2).

Gary Ruvkun había realizado su tesis doctoral en la genética bacteriana con Frederick Ausubel (quien no ha logrado el Nobel). En 1982 se interesó por la genética del nemátodo como postdoctoral compartido entre los laboratorios de Robert Horvitz. y de Walter Gilbert (Premio Nobel de Química en 1980, y quien escribió en 1964 el artículo con un error que llamó la atención de Peter W. Higgs). En el laboratorio de Horvitz, Ambros y Ruvkun lograron clonar a lin-14, pues en aquella época era una tarea difícil que requería años de experimentación (G. Ruvkun, V. Ambros, …, H. R. Horvitz, «Molecular genetics of the Caenorhabditis elegans heterochronic gene lin-14,» Genetics 121: 501-516 (1989), doi: https://doi.org/10.1093/genetics/121.3.501).

Ambros y Ruvkun lograron buenos puestos de profesor en la Universidad de Harvard, continuando con la investigación que les llevaría hasta el Nobel. Ruvkun demostró que la proteína Lin-14 se expresa en la fase L1 del desarrollo embrionario, estando alterada en los mutantes lin-4 y lin-14 del nemátodo (G. Ruvkun, J. Giusto, «The Caenorhabditis elegans heterochronic gene lin-14 encodes a nuclear protein that forms a temporal developmental switch,» Nature 338: 313–319 (1989), https://doi.org/10.1038/338313a0); además, se descubrieron mutantes con una expresión casi normal de lin-14 que mostraban deleciones en la región 3’UTR (B. Wightman, T. R. Bürglin, …, G. Ruvkun, «Negative regulatory sequences in the lin-14 3′-untranslated region are necessary to generate a temporal switch during Caenorhabditis elegans development,» Genes & Development 5: 1813-1824 (1991), doi: https://doi.org/10.1101/gad.5.10.1813). Gracais a ello se logró detectar la proteína Lin-14 más allá de la fase L1 del desarrollo (P. Arasu, B. Wightman, G. Ruvkun, «Temporal regulation of lin-14 by the antagonistic action of two other heterochronic genes, lin-4 and lin-28,» Genes & Development 5: 1825-1833 (1991), doi: https://doi.org/10.1101/gad.5.10.1825). Como la disrupción de los elementos 3’UTR no afectaba la secuencia de la proteína, Ruvkun postuló un mecanismo postranscripcional que actuaba o bien sobre la estabilidad del ARNm, o sobre su la exportación nuclear, o bien sobre la traducción de Lin-14.

El laboratorio de Ambros se propuso clonar el gen lin-4, un proceso muy complicado por su pequeño tamaño (algo que aquel momento se ignoraba). Se propuso una idea curiosa «caminar por el cromosoma», fragmento a fragmento, para tratar de aislar el gen lin-4. Lograron identificar un 693 pares de bases que era cortado por la enzima de restricción Sal I. En aquella época este trabajo era arduo y había que descartar muchos errores; la imposibilidad de identificar la proteína asociada a lin-4 se propuso la hipótesis de que era un ARN no codificante con una secuencia corta (pero no se podía imaginar que fuera tan corta). Mediante la inducción de mutaciones por desplazamiento de marco de lectura, como no afectaron a la función de lin-4, confirmaba la sospecha de que no era traducido. En 1991, el laboratorio de Ambros logró identificar el transcrito de lin-4 en dos secuencias, una larga de lin-4L de 61 nucleótidos y otra corta lin-4S de solo 22 nucleótidos.

En junio de 1992, Ambros y Ruvkun intercambiaron sus secuencias para los genes de lin-4 y lin-14. Para su sorpresa el ARN no codificante de lin-4 mostraba cierta similitud con elementos de la región 3’UTR de lin-14. Ambos laboratorios realizaron una serie de experimentos para demostrar la hipótesis de que el microARN lin-4 regula el ARN mensajero de lin-14 mediante un emparejamiento de bases en su región 3’UTR. Este descubrimiento clave para el Nobel fue publicado en dos artículos en Cell en 1993. El laboratorio de Ambros trató de resolver la cuestión si el mecanismo de regulación era particular de C. elegans o también se encontraba en otros nemátodos; fue buscado y encontrado en C. briggsae, C. remanei y C. vulgaris (Rosalind C. Lee, Rhonda L. Feinbaum, Victor Ambros, «The C. elegans Heterochronic Gene lin-4 Encodes Small RNAs with Antisense Complementarity to lin-14,» Cell 75: 843-854 (03 Dec 1993), doi: https://doi.org/10.1016/0092-8674(93)90529-y). Por su parte, el laboratorio de Ruvkun estudió los detalles del mecanismo de regulación postranscripcional de la función de Lin-14 mediante el miARN lin-4. Se identificó un fragmento funcional de su región 3’UTR con 124 nucleótidos que contenía la una secuencia complementarias a lin-4, que además estaba bien conservada en el nemátodo C. briggsae (Bruce Wightman, llho Ha, Gary Ruvkun, «Posttranscriptional Regulation of the Heterochronic Gene lin-14 by lin-4 Mediates Temporal Pattern Formation in C. elegans,» Cell 75: 855-862 (03 Dec 1993), doi: https://doi.org/10.1016/0092-8674(93)90530-4).

 

Todo podría haberse quedado en una cuestión de nemátodos de no ser por los esfuerzos desde el laboratorio de Ruvkun. Un trabajo arduo que exigió varios años pero que llevó al descubrimiento del miARN let-7 que estaba muy bien conservado por la evolución en una amplia gama de animales. Las bases de datos de secuencias de nucleótidos de la época fueron claves en este descubrimiento bioinformático que llegó en el año 2000 (Amy E. Pasquinelli, Brenda J. Reinhart, …, Gary Ruvkun, «Conservation of the sequence and temporal expression of let-7 heterochronic regulatory RNA,» Nature 408: 86-89 (02 Nov 2000), doi: https://doi.org/10.1038/35040556). A diferencia del gen lin-4, el miARN let-7 también se expresaba en las etapas adultas de varias especies de moluscos y anélidos, especies que no presentan estados larvales. Para sorpresa de los investigadores, se observó en animales con simetría bilateral, lo que llevó a su búsqueda en organismos como mosca cel vinagre y el humano. Lo que nadie podía imaginar, su presencia en humanos, fue confirmada.

El miARN let-7 fue la mecha de una explosión científica para la búsqueda de otros miARN en humanos asociados a la regulación postranscripcional de genes de interés biomédico. Los resultados no tardaron en llegar (hay que recordar que ayudó mucho la publicación del borrador del genoma humano en 2001). Existía una vasta colección de microARN reguladores en animales. Los avances en secuencian permitieron que la base de datos miRBase para genes de microARN cuente con más de 38 000 precursores en horquilla y 48 860 secuencias de genes de microARN maduros en 271 organismos (datos de 2019). Incluso se han encontrado virus que codifican genes de microARN. La alfombra roja para el Premio Nobel estaba puesta (Clarivate puso a Ambros y Ruvkun encima de ella en 2008). Hoy en día se cree que el surgimiento y la expansión de los genes de microARN está ligado a la evolución de la complejidad en los animales. De hecho, se cree que los microARN han surgido varias veces durante la evolución (no solo se observan en animales, sino también en plantas).

Y me preguntarás para qué sirven los micro ARN en las células y los tejidos humanos. La respuesta es simple para regular la expresión de algunos genes desde el desarrollo embrionario hasta la etapa adulta. Se conocen muchos síndromes asociados a mutaciones en genes específicos de microARN, o en las vías de biogénesis de microARN. Muchas son enfermedades raras, como el síndrome de DICER1, asociado a una mutación en el gen DICER1 que predispone a tumores en el riñón, tiroides, ovarios, cuello uterino, testículos, cerebro, ojo y pulmones (muchos individuos con esta condición acaban desarrollando tumores durante la infancia). Otro síndrome similar es EDICT, una enfermedad ocular rara asociada a una mutación del miRNA-184, que concduce a una hipoplasia del iris, distrofia endotelial y cataratas congénitas. Otro está asociado a las mutaciones en miRNA-140-5p que resulta en un trastorno esquelético congénito. Hay muchas más, pero lo más relevante es que se está avanzando el técnicas de diagnóstico de enfermedades relacionadas con los microARN y que también se están desarrollando terapias basadas en microARN. Diversas enfermedades comunes, como trastornos metabólicos, enfermedades cardiovasculares, condiciones neurodegenerativas y cáncer se beneficiarán de estos avances. Pero, recuerda, el premio se ha concedido por Fisiología, es decir, al mecanismo biológico (no se ha concedido por Medicina).