Mitocondrias, reprogramación celular y cáncer

Javier Prieto y Josema Torres

 Departamento de Biología Celular, Universidad de Valencia

En 2016 se cumplen 10 años desde que Kazutoshi Takahashi y Shinya Yamanaka desarrollaran la técnica de reprogramación celular (Takahashi y Yamanaka, 2006). La reprogramación celular es el proceso por el cual podemos obtener células con pluripotencia inducida o células iPS (del inglés, induced-Pluripotent Stem), a partir de células diferenciadas. El descubrimiento de 2006 fue y sigue siendo, uno de los avances más destacados en el campo de la biología de las últimas décadas.

En el grupo del Dr. Josema Torres de la Unidad de Neurobiología Celular en la Universidad de Valencia, llevamos años estudiando los mecanismos de regulación mitocondrial y metabólica que controlan el proceso de reprogramación celular. Recientemente, hemos publicado un estudio en Nature Communications en el que describimos uno de los mecanismos moleculares que dirigen la reorganización mitocondrial durante la reprogramación celular (Prieto et al. 2016).

Estudios previos habían reflejado diferencias entre la morfología mitocondrial de células iPS y células somáticas. Por un lado, las células somáticas presentan mitocondrias grandes y alargadas, con marcadas y abundantes crestas mitocondriales. Por contra, las células iPS presentan mitocondrias pequeñas e inmaduras, sin crestas (Folmes et al. 2011). Estos datos ponían de manifiesto que durante la reprogramación celular tenía lugar una reorganización de la red mitocondrial de la célula. En este trabajo demostramos que, durante los primeros días de reconversión celular, la fisión mitocondrial juega un papel crucial para que el proceso de reprogramación tenga lugar y describimos además el mecanismo molecular que dirige este proceso.

Figura 1. El análisis por microscopia confocal de células madre en cultivo revela que poseen una red mitocondrial fragmentada (cian, factor nuclear Oct4 de células madre; magenta, mitocondrias). Imagen cortesía de los autores.

Figura 1. El análisis por microscopia confocal de células madre en cultivo revela que poseen una red mitocondrial fragmentada (cian, factor nuclear Oct4 de células madre; magenta, mitocondrias). Imagen cortesía de los autores.

Tras la transducción de los llamados factores de Yamanaka (Oct4, Sox2, Klf4 y c-Myc), los cuatro factores transcripcionales encargados de inducir la reprogramación, observamos que durante los tres primeros días tiene lugar una profunda reorganización mitocondrial. Así, mientras que las células somáticas presentaban mayoritariamente una morfología mitocondrial tubular, alrededor del 50% de las células contenían las mitocondrias fragmentadas tras la expresión ectópica de los cuatro factores. A los ocho días del proceso de reprogramación aparecen colonias con características epiteliales, los primeros precursores de las células iPS. Observamos que cerca de la totalidad de las células que forman estas colonias poseen también mitocondrias con morfología fragmentada. Mediante el uso del marcador extracelular Thy1 y citometría de flujo, pudimos aislar durante los primeros días del proceso de reprogramación dos poblaciones celulares con marcadas diferencias en la morfología mitocondrial: células Thy1-negativas con mitocondrias fragmentadas y células Thy1-positivas con mitocondrias tubulares.

Cuando utilizamos estas poblaciones celulares en ensayos de reprogramación, observamos que las células Thy1-negativas generaban un mayor número de colonias epiteliales y células iPS que las segundas. Debido a que sólo un pequeño porcentaje de células iniciales (entre el 0,1% y el 5%) consiguen convertirse en células iPS, es muy importante saber que éstas deben de formar parte de la población inicial Thy1-negativa con mitocondrias fragmentadas. Así, la inhibición de la fragmentación mitocondrial durante los primeros días del proceso disminuía marcadamente la eficiencia de reprogramación, poniendo de manifiesto que la fragmentación mitocondrial no sólo tiene lugar durante el proceso sino que es necesaria para la total reconversión celular.

Durante los primeros días de reprogramación, y en paralelo a la fragmentación mitocondrial, tiene lugar la fosforilación de la proteína Drp1. La proteína Drp1 (del inglés, dynamin-related protein 1) es una GTPasa perteneciente a la familia de las dinaminas, y es la responsable en última instancia de la fisión mitocondrial. Sobre la membrana mitocondrial externa existen diversas proteínas de membrana que actúan a modo de receptores de Drp1 atendiendo a su estado de fosforilación. Una vez reclutada sobre la membrana mitocondrial externa, Drp1 comienza a polimerizar formando un anillo contráctil que acaba por fisionar la mitocondria. En nuestro estudio demostramos que, conforme se incrementan los niveles de fosforilación de Drp1, mayor es su reclutamiento a la mitocondria y, en consecuencia, mayor es la fragmentación mitocondrial que tiene lugar.

La activación de Drp1 a través de la MAP quinasa Erk2 había sido descrita recientemente en células humanas transformadas (Kashatus et al. 2015). En nuestro estudio, demostramos que el mecanismo responsable de la inducción de la fragmentación mitocondrial está conformado por el eje Dusp6-Erk1/2-Drp1. Concretamente, la transducción de los cuatro factores de Yamanaka induce un silenciamiento de la expresión del gen Dusp6. La proteína Dusp6 (del inglés, Dual Specificity Phosphatase 6) es una de las fosfatasas citosólicas más importante en el control de Erk1/2. A su vez, Erk1/2 es una de las quinasas centrales en el control de procesos celulares como proliferación, diferenciación y/o supervivencia. El silenciamiento de Dusp6 favorece la activación de Erk1/2, la cual fosforila y activa a Drp1 para orquestar la reorganización de la red mitocondrial.

Figura 2. Los cuatro factores de Yamanaka inducen un silenciamiento de la expresión de Dusp6. Este silenciamiento permite la activación de Erk1/2, la cual fosforila y activa a Drp1. La fosforilación de Drp1 induce su reclutamiento sobre la mitocondria para orquestar la fisión mitocondrial. Imagen, cortesía de los autores.

Figura 2. Los cuatro factores de Yamanaka inducen un silenciamiento de la expresión de Dusp6. Este silenciamiento permite la activación de Erk1/2, la cual fosforila y activa a Drp1. La fosforilación de Drp1 induce su reclutamiento sobre la mitocondria para orquestar la fisión mitocondrial. Imagen, cortesía de los autores.

La contribución de este trabajo en el campo de la reprogramación celular es doble. Por un lado, nuestro trabajo ahonda en el papel de la proteína Erk1/2 en el proceso de reprogramación y pluripotencia. Hasta la fecha, se asumía que la ruta de señalización de Erk1/2 era un ruta pro-diferenciación que, de hecho, era necesario inactivar si se pretendía adquirir un estado basal de pluripotencia (Ying et al. 2008). Sin embargo, nuestro estudio pone de manifiesto que la proteína Erk1/2 puede jugar papeles distintos en diferentes etapas del proceso de reprogramación celular.

Por otro lado, nuestro trabajo remarca la similitud existente entre los procesos de reprogramación y transformación celular. De hecho y de forma similar al trabajo publicado por Kashatus y colaboradores que se ha mencionado anteriormente, en los últimos años han sido numerosos los estudios publicados que relacionan la reprogramación celular con la tumorigénesis. Se han descrito diversos eventos celulares que pueden jugar un papel importante en ambos procesos de conversión celular: transición mesénquima-epitelio (Li et al. 2010; Samavarchi-Tehrani et al. 2010), condiciones de hipoxia (Mathieu et al. 2014), activación del ciclo celular (Li et al. 2009; Marión et al. 2009) y cambios en el metabolismo (Folmes et al. 2011).

En este sentido, el estudio y comprensión del proceso de reprogramación celular no sólo ayudará a manejar una herramienta fundamental en el tratamiento de enfermedades, sino que también podrá esclarecer interrogantes entorno a los pasos iniciales del proceso de transformación celular y, por tanto, de la biología de las células iniciadoras de un proceso canceroso.

Referencia:

Prieto J et al. Early ERK1/2 activation promotes DRP1-dependent mitochondrial fission necessary for cell reprogramming. Nat Commun. 2016 Mar 31;7:11124. doi: 10.1038/ncomms11124.

Bibliografía:

Folmes CD et al. Somatic oxidative bioenergetics transitions into pluripotency-dependent glycolysis to facilitate nuclear reprogramming. Cell Metab. 2011 Aug 3;14(2):264-71. doi: 10.1016/j.cmet.2011.06.011.

Kashatus JA et al. Erk2 phosphorylation of Drp1 promotes mitochondrial fission and MAPK-driven tumor growth. Mol Cell. 2015 Feb 5;57(3):537-51. doi:10.1016/j.molcel.2015.01.002.

Li R et al. A mesenchymal-to-epithelial transition initiates and is required for the nuclear reprogramming of mouse fibroblasts. Cell Stem Cell. 2010 Jul 2;7(1):51-63. doi: 10.1016/j.stem.2010.04.014.

Li H et al. The Ink4/Arf locus is a barrier for iPS cell reprogramming. Nature. 2009 Aug 27;460(7259):1136-9. doi: 10.1038/nature08290.

Mathieu J et al. Hypoxia-inducible factors have distinct and stage-specific roles during reprogramming of human cells to pluripotency. Cell Stem Cell. 2014 May 1;14(5):592-605. doi: 10.1016/j.stem.2014.02.012.

Marión RM et al. A p53-mediated DNA damage response limits reprogramming to ensure iPS cell genomic integrity. Nature. 2009 Aug 27;460(7259):1149-53. doi:10.1038/nature08287.

Samavarchi-Tehrani P et al. Functional genomics reveals a BMP-driven mesenchymal-to-epithelial transition in the initiation of somatic cell reprogramming. Cell Stem Cell. 2010 Jul 2;7(1):64-77. doi:10.1016/j.stem.2010.04.015.

Takahashi K and Yamanaka S. Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors. Cell. 2006 Aug 25;126(4):663-76.

Ying QL et al. The ground state of embryonic stem cell self-renewal. Nature. 2008 May 22;453(7194):519-23. doi: 10.1038/nature06968.

Si te ha gustado el artículo, suscríbete ahora de forma gratuita a la Revista Genética Médica y recíbela cada 2 semanas.


He leído y acepto la política de privacidad. (Recibirás Genética Médica News en PDF cada 2 semanas en tu correo, así como los números de la revista Genética Médica y Genómica. Nuestros suscriptores también reciben cualquier novedad en cuanto a nuestros programas formativos, jornadas gratuitas y eventos en el área de la Genética Médica y Genómica.)

You may also like...

Deja un comentario

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *

Normas de uso

La Revista Genética Médica permite realizar comentarios sobre su contenido para favorecer la participación de los lectores, con el objetivo de ofrecer una plataforma de debate y discusión sobre los temas tratados.

El contenido de Genética Médica es de carácter general y tiene una finalidad informativa. La mención de cualquier método, terapia, tratamiento o servicio no debe ser considerado una garantía para su utilización. Determinar el adecuado tratamiento para un paciente es responsabilidad de los médicos y facultativos. La información proporcionada en Revista Genética Médica ha sido diseñada para apoyar, y en ningún caso reemplazar, la relación que existe entre un paciente y su médico.

Para asegurar que todos los lectores tienen una buena experiencia, la Revista Genética Médica solicita que los comentarios sigan unas normas básicas. Los comentarios son evaluados antes de su publicación y moderados por los miembros de la Oficina Editorial de Revista Genética Médica diariamente. Cualquier comentario que no cumpla los principios indicados no será publicado.

Los comentarios están abiertos al público general por lo que los lectores deben considerar que su contenido no necesariamente ha sido realizado por un profesional médico.

Los usuarios tendrán en cuenta que los comentarios serán públicos y cualquier persona con acceso a internet podrá verlos. Los usuarios pueden publicar información personal propia (teniendo en cuenta que será pública) pero no la de otras personas. Los comentarios no podrán ser modificados.

Los principios seguidos para la publicación de comentarios serán:

  • Todos los comentarios que contribuyan a enriquecer el contenido y calidad de los contenidos de Revista Genética Médica serán bienvenidos. Los usuarios se comprometen a proporcionar información veraz y contrastable. Cada usuario proporcionará referencias y/o enlaces que justifiquen sus afirmaciones sobre medicina y salud, siempre que no se trate de una experiencia personal vivida por él mismo.
  • En caso de mencionar publicaciones científicas o datos específicos, se citarán las fuentes que en el comentario.
  • Sólo se aceptará la presencia de enlaces en los comentarios cuando su contenido cumpla los principios de publicación de comentarios y estén relacionados con el tema.
  • En caso de mencionar publicaciones científicas o datos específicos, se citarán las fuentes que en el comentario.
  • Sólo se aceptará la presencia de enlaces en los comentarios cuando su contenido cumpla los principios de publicación de comentarios y estén relacionados con el tema.
  • No se aceptarán comentarios difamatorios o falsos, insultos, amenazas, o ajenos al tema del que trate el artículo. En la misma línea no se aprobará la publicación de comentarios con contenido xenófobo, racista, sexista, homófobo o discriminatorio hacia cualquier religión o colectivo.
  • Los mensajes escritos al completo en mayúsculas no serán aceptados.
  • Mensajes publicitarios, o de cuestiones no relacionadas con el tema del artículo no serán aprobados para su publicación.

Si te ha gustado el artículo, suscríbete ahora de forma gratuita a la Revista Genética Médica y recíbela cada 2 semanas.

(function() { if (!window.mc4wp) { window.mc4wp = { listeners: [], forms : { on: function (event, callback) { window.mc4wp.listeners.push({ event : event, callback: callback }); } } } } })();


He leído y acepto la política de privacidad. (Recibirás Genética Médica News en PDF cada 2 semanas en tu correo, así como los números de la revista Genética Médica y Genómica. Nuestros suscriptores también reciben cualquier novedad en cuanto a nuestros programas formativos, jornadas gratuitas y eventos en el área de la Genética Médica y Genómica.)