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DESCUBREN LA PROTEINA REGULADORA CLAVE PARA LA TRANSMISION DEL PARASITO DE LA MALARIA A LOS MOSQUITOS

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23 February 2014

En azul se puede ver la fase de desarrollo sexual o gametocitos del parásito de malaria Plasmodium falciparum. En rojo se pueden ver glóbulos rojos no infectados. Crédito: Laboratorio de Manuel Llinás, Penn State University
En azul se puede ver la fase de desarrollo sexual o gametocitos del parásito de malaria Plasmodium falciparum. En rojo se pueden ver glóbulos rojos no infectados. Crédito: Laboratorio de Manuel Llinás, Penn State University
Dos equipos de investigadores han descubierto independientemente que una sola proteína reguladora actúa como interruptor del desarrollo de formas sexuales masculinas y femeninas (denominadas gametocitos) en este parásito, resolviendo así un largo misterio con implicaciones importantes para la salud humana.  La proteína AP2-G es necesaria para activar un conjunto de genes que inicia el desarrollo de parásitos asexuales hacia gametocitos, siendo los gametocitos las únicas formas del parásito capaces de infectar a los mosquitos.  La investigación también aporta avances importantes en la identificación de los mecanismos subyacentes que controlan esta fase del desarrollo, determinando si un parásito de malaria tendrá o no la capacidad de transmitir la enfermedad.

Actualmente existe el riesgo de que la malaria pueda ser reintroducida en los Estados Unidos y en Europa, donde ha sido erradicada durante la década de 1950.  Sin embargo, según los U.S. Centers for Disease Control and Prevention, casi la mitad de la población mundial (3.300 millones de personas) vive en 106 países y territorios con alto riesgo de transmisión de esta enfermedad.  La Organización Mundial de la Salud estima que en el año 2012 la malaria causó 207 millones de episodios clínicos y 627.000 muertes a nivel mundial, de las cuales un 77% se registró en niños menores de 5 años.

La malaria es causada por parásitos unicelulares pertenecientes al género Plasmodium.  Para poder sobrevivir y reproducirse, el complejo ciclo de vida de estos parásitos pasa por tres fases fundamentales.  En la primera, tras la picadura de un mosquito infectado el parásito establece una infección en el hígado;  en la segunda fase se produce una infección en la sangre que provoca los síntomas clínicos de la malaria que puede ser crónica.  En la tercera fase, el parásito se transmite de un humano infectado a un nuevo mosquito para transmitir el parásito a otras personas.  Las tres fases son indispensables para completar el ciclo de vida del parásito.  Es sorprendente que la forma principal del parásito en la fase sanguínea  -causante del cuadro febril característico de esta enfermedad- no pueda ser transmitida a los mosquitos.  De hecho sólo la forma sexual, el gametocito, puede participar en esta transmisión.  Los gametocitos son diferentes a las otras formas parasitarias no sólo en su estructura, sino también en sus programas de expresión de genes y proteínas.  Para que los parásitos puedan ser transmitidos a un nuevo mosquito vector, deben formarse gametocitos continuamente en la sangre del hospedador humano durante cada ciclo de dos días. Sin embargo, es sabido que Plasmodium produce un reducido número de parásitos sexuales en cada ciclo, lo que constituye una estrategia de doble filo.  Por un lado, asegura su supervivencia durante las épocas de sequía cuando escasean los mosquitos y por el otro, también constituye un punto vulnerable que podría ser aprovechado para la interrupción de ese ciclo.  La pregunta sobre cómo los parásitos “deciden” producir las formas sexuales transmisibles ha sido un misterio que ha intrigado a los investigadores en malaria durante muchos años.

“Ahora tenemos por delante interesantes oportunidades para encontrar una forma efectiva de romper la cadena de transmisión de la malaria, evitando que el parásito pueda completar su ciclo vital” dijo el Dr. Manuel Llinás, profesor asociado de bioquímica y  biología molecular en Penn State University.  Llinás es el líder de un equipo internacional de científicos que publicarán un artículo describiendo sus investigaciones en la edición en línea del 23 de febrero de 2014 de la revista Nature. En esta misma edición se publicará otro manuscrito sobre el mismo tema de un grupo dirigido por los Doctores Andy Waters (University of Glasgow) y Oliver Billker (Wellcome Trust Sanger Institute).  Ambos trabajos describen detalladamente la función del mismo regulador transcripcional, AP2-G, presentando resultados muy similares aun cuando los dos grupos trabajaron con especies diferentes de Plasmodium: P. falciparum, responsable de la forma más grave de malaria humana y P. berghei, que infecta a roedores y es utilizado frecuentemente como modelo en investigación.

“La fase sexual del parásito constituye un objetivo tentador para intervenir y evitar la formación de este número relativamente pequeño pero significativo de parásitos sexuales.  Si las formas sexuales nunca se llegasen a desarrollar en la sangre de una persona infectada, tampoco llegarían al intestino del mosquito y de esta manera el ciclo de transmisión se vería interrumpido” dijo Llinás.

El estudio liderado por Llinás empezó con experimentos realizados por el grupo del Dr. Alfred Cortés en el Centro de Investigación en Salud Internacional de Barcelona. Gracias a estos experimentos se descubrió que clones individuales de parásitos de malaria humana provenientes de una misma cepa contienen niveles variables del regulador transcripcional AP2-G que reflejan diversos niveles de producción de gametocitos en la fase sexual.  “Estos resultados fueron sorprendentes, ya que encontramos enormes diferencias en el número de parásitos en fase sexual producidos por las distintas líneas celulares” dijo Llinás.  Una línea clonal produjo diez veces más gametocitos que todas las demás; la mayoría produjo muy pocos y algunas directamente no produjeron ninguno.  Mediante experimentos adicionales se demostró que la cantidad de parásitos en fase sexual que cada línea clonal generaba coincidía  con la proporción de células individuales que expresaban la proteína AP2-G.  “Nuestros resultados correlacionan perfectamente los niveles de expresión del gen ap2-g con el número de parásitos que se desarrollan como formas sexuales”  dijo Llinás.

“Debido a que todos estos parásitos comparten el mismo ADN o estructura genética, pero los descendientes de las células individuales producen números notablemente diferentes de parásitos en fase sexual, sospechamos que algún factor no genético controla el desarrollo de la fase sexual” continuó Llinás.  La investigación sugiere que este fenómeno no está directamente codificado en el ADN del parásito, sino que es debido a diferencias epigenéticas entre distintos individuos.  De hecho, Llinás dijo que en trabajos anteriores se ha identificado en el gen ap2-g la presencia de una modificación epigenética de histonas fuertemente represiva que se encuentra en pocos lugares del genoma del parásito.  “Durante muchos años hemos sabido que los parásitos de la malaria utilizan mecanismos epigenéticos para evadir las reacciones inmunológicas del hospedador humano.  Ahora sabemos que los mecanismos epigenéticos también regulan otros procesos importantes de la biología del parásito de la malaria, incluyendo la diferenciación sexual, “  añadió Cortés.

Cuando los científicos descubren una proteína como la AP2-G que regula un proceso biológico, la típica pregunta que surge a continuación es:  ¿Qué otra proteína controla a este regulador?  “Un aspecto interesante de nuestro descubrimiento es que no es necesario un regulador que controle a AP2-G. AP2-G puede ser activada por mecanismos epigenéticos, lo que aporta una probable explicación sobre cómo se inicia la conversión sexual a bajo nivel,” añadió Cortés.

En lo que inicialmente constituyó una línea de investigación independiente, los Doctores David Baker, Taane Clark y sus colegas del London School of Hygiene & Tropical Medicine y el Wellcome Trust Sanger Institute, secuenciaron el genoma completo de dos cepas de P. falciparum desarrolladas en el laboratorio que son incapaces de producir gametocitos. Los investigadores descubrieron que ap2-g era el único gen mutado y no funcional presente en ambas cepas.  David Baker dijo que durante más de veinte años su laboratorio se ha dedicado a buscar algún gen del parásito de malaria que pueda iniciar el desarrollo sexual y al fin ha salido a la luz el locus ap2-g bajo control epigenético.  De manera simultánea, los grupos de Waters y Billker seleccionaron durante un año aquellos parásitos de roedores que perdían la capacidad de producir gametocitos.  Al aplicar secuenciación de nueva generación para identificar las mutaciones que causaban este efecto, los grupos volvieron a observar que el único sospechoso común era el gen que codifica para la proteína AP2-G.

Para confirmar estas observaciones, ambos estudios eliminaron el gen ap2-g del genoma para eliminar su función en el parásito, observando que los individuos manipulados de esta forma perdían la capacidad de generar parásitos en fase sexual.  Es más, los parásitos de roedores, incapaces de producir gametocitos, recuperaron la capacidad de fabricarlos después de reparar el gen mutado con terapia genética.

Estos resultados, combinados con los de otros experimentos, demostraron que solo se producen parásitos de malaria en fase sexual cuando la proteína AP2-G funciona adecuadamente.  “Nuestra investigación ha demostrado que, sin lugar a dudas, el factor de transcripción AP2-G es esencial para iniciar la transformación de parásitos de malaria en el torrente sanguíneo desde la fase asexual a la fase sexual, la cual es indispensable para su ciclo vital,” dijo Llinás.

Los investigadores están de acuerdo en que estos descubrimientos son de suma importancia para el futuro de la investigación en malaria.  El hecho de que las células que producen AP2-G inicien el desarrollo sexual, es algo que los grupos ahora pueden controlar en sus experimentos.  “Esto abre el camino para desarrollar ensayos de evaluación de drogas que podrían inhibir el desarrollo sexual y evitar de esta manera la transmisión del parásito” –comentó Waters.

“El descubrimiento de AP2-G nos ofrece un nuevo punto de partida para averiguar cómo el complejo ciclo de vida de Plasmodium es regulado por proteínas de los mismos parásitos.  Tal vez hasta podría ayudarnos a controlar el desarrollo de los parásitos en el laboratorio” añadió Billker.  La nueva posibilidad de cultivar grandes cantidades de parásitos de malaria en fase sexual permitirá optimizar los esfuerzos para desarrollar una vacuna contra la fase sexual, capaz de ayudar a una persona infectada a producir una reacción inmunológica que evite que los parásitos sean transmitidos a mosquitos, impidiendo la finalización del ciclo vital de la población de parásitos que porta esa persona.  “Con la ayuda de herramientas de nueva generación, esperamos con optimismo nuevos descubrimientos que nos permitan lograr un control eficaz de la malaria, tal vez dentro de los próximos cinco años” dijo Llinás.

 

[ Barbara K.  Kennedy ]


CONTACTOS

Manuel Llinás: manuel@psu.edu, (+1) 814 867 3444

Barbara Kennedy (PIO): science@psu.edu, 814 863 4682


CO-AUTORES

Además de Llinás, quien condujo una parte de la investigación en Penn State University y otra parte en Princeton University, otros autores colaboraron en los dos artículos de Nature incluyendo a Björn F.C. Kafsack y April E. Williams de Princeton University; Núria Rovira-¬Graells, Cristina Bancells, Valerie M. Crowley, y Alfred Cortés en institutos de investigaciones de España; David A. Baker, Taane G. Clark, Susana G. Campino, Dominic P. Kwiatkowski, Laura G. Drought, Abhinav Sinha, Katie R. Hughes, Katarzyna Modrzynska, Thomas D. Otto, Claudia Pfander, Nicholas J. Dickens, Agnieszka A. Religa, Ellen Bushell, Anne L. Graham, Rachel Cameron, Matthew Berriman, Oliver Billker, y Andrew P. Waters de institutos de investigación del Reino Unido. Los institutos de Cataluña (España) incluyen el Centro de Investigación en Salud Internacional de Barcelona, el Instituto de Investigación Biomédica de Barcelona y el Instituto Catalán para Investigaciones y Estudios Avanzados. Los institutos del Reino Unido incluyen el London School of Hygiene & Tropical Medicine, el Wellcome Trust Sanger Institute y el Wellcome Trust Sanger Institute for Human Genetics.


FINANCIAMIENTO

U.S. National Institutes of Health (R01AI076276) y su Center for Quantitative Biology, (P50GM071508), Damon Runyon Cancer Research Foundation, Wellcome Trust (094752, 098051-090532/Z/09/Z, 083811/Z/07/Z), European Commission (FP7-MALSIG-223044), U.K. Biotechnology and Biological Sciences Research Council, Ministerio Español para la Ciencia y la Innovación (SAF2010-20111), Govierno Catalán (AGAUR 2011-BP-B 00060), IRB Barcelona, U.K. Medical Research Council(G0600230 and G0501670), y Evimalar (242095)

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