Investigación de científicos chilenos describe función de proteína clave en la memoria y aprendizaje
19/08/2024Los investigadores Dra. Soledad Matus y Ariel Tapia observan una minúscula región entre las células del cerebro, denominada sinapsis, la cual es fundamental para que ocurran los procesos cognitivos, tales como nuestra capacidad de recordar o asimilar nueva información.
- Para que estas tareas se desarrollen, la mantención de la estructura sináptica es fundamental, función que es llevada a cabo por proteínas que son producidas de manera localizada en la sinapsis. Estas son las que en definitiva permiten a la neurona llevar a cabo sus tareas y preservar la función cognitiva del cerebro, con directas implicaciones en patologías neurodegenerativas.
- En el contexto de una tesis de pregrado, los científicos concretaron el hallazgo de una proteína en la sinapsis que es clave para dirigir la producción de otras proteínas que permiten la función de la sinapsis. Es decir, la proteína que encontraron constituye un elemento crucial para que los humanos podamos recordar o procesar información.
Estudios realizados en el Laboratorio de Biología de la Neurodegeneración del Centro Basal Ciencia & Vida, de la Universidad San Sebastián, contribuyeron a describir la presencia y caracterizar la función –hasta ahora desconocida– de una proteína en la región sináptica. Los autores del trabajo son la Dra. Soledad Matus Montero y el investigador y bioquímico Ariel Tapia Godoy. Denominada como PKR, esta molécula hace posible la producción de nuevas proteínas al interior de las neuronas en respuesta a cambios en el ambiente externo de la célula, lo que supone una maquinaria trascendental para que se lleven a cabo los procesos cognitivos en el cerebro.
Sin la presencia de PKR (una proteína conocida por sensar el estrés en el sistema nervioso central y periférico) en una recóndita región de las neuronas, no sería posible que se produzca la sinapsis ni los mecanismos cognitivos derivados de ésta: la memoria, el aprendizaje o el procesamiento de información, según explica la subdirectora del Centro Basal, investigadora principal y directora del laboratorio, la Dra. Soledad Matus.
La investigación –señala la científica chilena– trata de entender los cambios que ocurren a un nivel muy particular en la neurona, en una región minúscula llamada sinapsis, lo cual supone, al mismo tiempo, un importante desafío en términos técnicos y metodológicos. Allí, la PKR no solo trabaja para detectar cambios drásticos al interior de la neurona producidos por variaciones en el ambiente externo de la célula (el cerebro), sino también variaciones leves en la neurona que perturban el equilibrio celular. Estos cambios, tanto drásticos como leves, se pueden encontrar en la sinapsis o afectar indirectamente a esta.
“Cuando uno piensa en la sinapsis, piensa en la transmisión de señales químicas y eléctricas de una neurona a otra. Es decir, una neurona libera los neurotransmisores y la célula del otro lado de la sinapsis los recibe. En esta estructura ocurren cambios importantes que básicamente permiten que ocurran los procesos cognitivos: que pensemos, recordemos o aprendamos”, señala la Dra. Matus.
Los estudios, que hoy forman parte de los proyectos de investigación del Laboratorio de Biología de la Neurodegeneración del centro (perteneciente a la red de centros de la Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo, ANID), comenzaron con la tesis de pregrado del joven bioquímico Ariel Tapia, quien hoy es investigador del laboratorio que dirige la Dra. Matus.
En las fases iniciales su formación profesional, el científico enfocó su trabajo en el papel que desempeña la PKR en el sistema nervioso periférico, una red de fibras nerviosas que recorre la cabeza, el cuello y el cuerpo, transportando información desde y hacia el sistema nervioso central (el cerebro y la médula espinal). En conjunto, el sistema nervioso periférico y el sistema nervioso central conforman el sistema nervioso.
“Primero, me dediqué a trabajar con esta proteína en otra región del sistema nervioso, ya que la PKR se encuentra presente en el sistema nervioso periférico, el cual tiene que ver con las funciones motoras y sensoriales del cuerpo. Ahora, estamos desarrollando el estudio en el sistema nervioso central, en particular en la sinapsis. Nuestro interés es comprender sus funciones en el contexto de esta conversación que se da entre dos neuronas, en sitios específicos y de reducido tamaño en relación con otras estructuras de la neurona, que es la sinapsis”, detalla Tapia.
También conocida como EIF2AK2, PKR es una proteína quinasa que participa en múltiples procesos en la célula. Por ejemplo, contribuye de forma activa en la respuesta celular a numerosos tipos de estrés, teniendo una importante función en el mecanismo de defensa antiviral, además de haber sido intensamente estudiada como un modulador del crecimiento celular.
En estudios recientes, además, se ha relacionado con metabolismo, procesos inflamatorios, cáncer y enfermedades neurodegenerativas, e incluso como un potencial blanco terapéutico para el desarrollo de tratamientos para dichos trastornos.
Por el contrario, en el caso de los estudios del laboratorio de Biología de la Neurodegeneración, los alcances están enfocados en la ciencia básica, con el objetivo de indagar en el funcionamiento de una proteína implicada de forma decisiva en la sinapsis, aclaran los científicos chilenos. “Aunque no tenemos un objetivo terapéutico en este estudio, esta es una de las principales estructuras que con el paso del tiempo se va deteriorando”, precisa la Dra. Matus.
El ínfimo espacio entre las neuronas
La sinapsis –una palabra que significa unión o enlace– es una estructura presente en las neuronas y que hace posible que éstas se comuniquen entre sí. Es, por tanto, responsable directa de que podamos aprender o memorizar cosas, funciones cognitivas que se relacionan del mismo modo con un concepto denominado “plasticidad sináptica”.
Per se, las neuronas no están en contacto unas con otras: más bien, existe un espacio entre ellas, muy pequeño, de unos 40 nanómetros (un cabello puede tener un espesor de 50 mil nanómetros). Es decir, son células individuales, que transmiten información sin llegar a tocarse por medio de mecanismos químicos y eléctricos.
En este enlace es donde la proteína PKR desempeña un rol fundamental: en esta estructura formada por la interacción de neuronas para permitir la transmisión de información de una célula a otra se ubica esta maquinaria que permite la producción de proteínas, un requisito indispensable para la mantención de la propia sinapsis y, por ende, las funciones cognitivas. “Lo que hemos observado es que estas proteínas quinasas son reguladoras de la producción de proteínas, una condición determinante para la estructura y transmisión en la sinapsis”, señala Tapia.
Tres elementos son esenciales para esta comprensión: primero, la sinapsis se mantiene porque se producen proteínas en los sitios que interactúan de ambas neuronas; segundo, en la región sináptica este recambio es acelerado; y tercero, según lo que postulan desde el centro científico chileno, el proceso de producción es comandado en gran medida por la PKR. “Uno también podría pensar, dado la presencia de estas proteínas, que los procesos cognitivos [fisiológicos] también generan un cierto nivel de estrés [cambia el equilibrio celular] suscitando una respuesta de estas proteínas sensoras”, sugiere la Dra. Matus.
“Curiosamente una proteína de respuesta a estrés es la que regula que se produzcan las proteínas para la sinapsis o, dicho de otro modo, de la traducción de las secuencias de ARN (o material genético) especifico que está presente en la región sináptica. Es la encargada de regular la actividad de esta maquinaria”, añade la investigadora. Las exploraciones se realizan utilizando herramientas clásicas de la bioquímica –se extraen tejidos de modelos animales, que luego son fraccionados para obtener estructuras celulares específicas– y también técnicas de biología molecular.
La ciencia del envejecimiento
La sinapsis es un requisito indispensable para que los impulsos nerviosos viajen a través de autopistas de redes neuronales. Sin estas redes, nuestro cerebro estaría “desconectado”. Un estudio realizado recientemente por el Laboratorio de Biología del Envejecimiento, del Centro Basal Ciencia & Vida, sugirió que la conexión entre las neuronas del cerebro podría operar como un predictor del desarrollo de Alzheimer.
En particular, el propósito de los estudios de la Dra. Soledad Matus y del investigador Ariel Tapia, es aportar conocimiento de base para la comprensión detallada de la mantención de la estructura sináptica y los mecanismos moleculares que existen en la región donde se produce esta interacción química y eléctrica. Y más específicamente, el papel que estaría jugando la proteína quinasa [PKR] en ello.
La subdirectora del centro expone que si bien el objetivo primario está, de momento, distante de una aproximación terapéutica, las preguntas científicas que intentan responder podrían aportar evidencia para comprender funciones que se van deteriorando con el paso del tiempo, y que se relacionan con el desarrollo de enfermedades como el Alzheimer y el daño cognitivo asociado al envejecimiento. Esto podría dotar a las investigaciones de proyecciones futuras aún desconocidas.
“Lo que se observa en pacientes con enfermedades neurodegenerativas es precisamente la pérdida de la región sináptica. Si bien la pregunta que hacemos no busca entender cómo la PKR y su función sináptica influyen en el Alzheimer o cómo se pierde la sinapsis en el envejecimiento, sí es posible que podamos generar conocimiento que ayude a entender esta región en particular que después degenera en condiciones patológicas o de envejecimiento”, afirma la Dra. Matus.
La función de esta proteína es tan importante para el mantenimiento de la estructura sináptica, la cual repercute al funcionamiento de todo el sistema nervioso central, que todos los hallazgos que puedan surgir de estas exploraciones aportarán evidencia de interés, aporta Ariel Tapia. “La idea en este tipo de investigaciones vinculadas con el envejecimiento es generar conocimiento que luego sea transferido potencialmente a un tratamiento para cualquier enfermedad, en este caso, relacionada con la estructura y función de la sinapsis”.
De acuerdo con cifras manejadas por la Organización Panamericana de la Salud (OPS) y la federación internacional de asociaciones de Alzheimer (ADI), cada tres segundos hay una persona en el mundo que desarrolla la enfermedad y sus costos globales ascienden a mil millones de dólares. Entre las condiciones catalogadas como “demencias” es la de mayor prevalencia y en Chile: alrededor de cien mil personas podrían sufrirla.
En este desafiante contexto, la Dra. Soledad Matus considera que para materializar nuevos avances es crucial conectarse con otros grupos científicos con los que puedan abordar miradas colaborativas del fenómeno. “Muchas veces es difícil desarrollar estas líneas de investigación de forma individual, y conectarse con personas que puedan abordar las mismas preguntas con otras estrategias es interesante: compartir herramientas, técnicas o metodologías que se complementen. Ese es el destino de la ciencia”.
“Chile se ha caracterizado por ser un país pionero en el campo de la neurociencia. Y en particular, el estudio del cerebro, es un área que en lo personal, como científico joven, me mueve y me motiva. Es importante que las nuevas generaciones se vayan adaptando a estos desafíos, partiendo desde los primeros peldaños en la ciencia, inexpertos, pero colaborando con científicos con gran experiencia como guías para ir creciendo y aprendiendo”, concluye Tapia.
Texto por Luis Francisco Sandoval, Agencia Inés Llambías Comunicaciones.