Los Factores Yamanaka y la Reprogramación Celular Parcial.
Relatamos el progreso de la reprogramación celular parcial y discutimos cómo esta poderosa técnica puede ser usada para rejuvenecer las células, al menos revertiendo parcialmente las alteraciones epigenéticas, una de las razones propuestas por las que envejecemos.
Los Factores Yamanaka y el nacimiento de la reprogramación celular parcial.
En 2006, un estudio de los Dres. Kazutoshi y Shinya Yamanaka mostró que era posible reprogramar células usando sólo cuatro genes maestros llamados Oct4, Sox2, Klf4 y c-Myc, o, para abreviar, OSKM [1]. Estos cuatro factores de reprogramación suelen llamarse los factores Yamanaka por uno de sus descubridores.
Antes de esto, se daba por hecho que los óvulos (oocitos) contenían una compleja formación de factores necesarios para reprogramar una célula somática en una célula embrionaria. Después de todo, la hazaña de convertir un óvulo maduro en un animal nuevo debe ser controlada por muchos factores presentes en el óvulo, o eso se pensaba. Takahashi y Yamanaka le dieron la vuelta a esta idea al demostrar que sólo cuatro de los factores Yamanaka eran necesarios para conseguir esta transformación.
Usaron los factores Yamanaka para reprogramar los fibroblastos (células de tejido conectivo) de un ratón adulto de vuelta a un estado embrionario llamado pluripotencial, un estado en el que la célula se comporta como una célula madre embrionaria y puede convertirse en cualquier otro tipo de célula del cuerpo.
Este descubrimiento abrió el camino para investigar cómo estos factores Yamanaka pueden ser usados para rejuvenecer células y combatir enfermedades relacionadas con la edad.
Los factores Yamanaka para rejuvenecer animales y células.
En 2011, un equipo de investigadores franceses, que incluía a Jean-Marc Lemaitre, informó del primer rejuvenecimiento celular usando los factores Yamanaka [2]. Durante su vida, las células expresan distintos patrones de genes, y esos patrones son únicos en cada fase de la vida de la célula; este perfil de expresión genética hace que saber la edad de la célula sea fácil. En ese momento, se sabía que las células envejecidas como los fibroblastos tienen telómeros cortos y mitocondria disfuncional. Dos de las nueve razones por las que envejecemos [3].
Jean-Marc Lemaitre y sus compañeros probaron los efectos de los factores Yamanaka en fibroblastos envejecidos de personas mayores normales y de gente sana mayor de 100 años. Añadieron dos factores genéticos pluripotenciales más a la mezcla de OSKM, NANOG y LIN28, y examinaron el efecto que esto tuvo en la expresión genética, los telómeros, y las mitocondrias de estas personas mayores.
Descubrieron que juntos, los seis factores lograron resetear las células de los donantes mayores a un estado pluripotente, lo cual significa que podrían convertirse en cualquier otro tipo de célula del cuerpo. Estos pasaron a llamarse células madre pluripotentes inducidas (células iPS).
Los investigadores apuntaron que las células tenían una velocidad de crecimiento superior a la de las células envejecidas desde las que fueron reprogramadas; también tenían telómeros más largos y mitocondrias que se comportaban como si fueran más jóvenes sin las disfunciones que tenían antes. En otras palabras, reprogramar las células revirtió algunos de los aspectos del envejecimiento y devolvió a las células a un estado similar al de su desarrollo.
Los factores Yamanaka parecen revertir el envejecimiento epigenético.
El último paso para los investigadores era guiar a estas células iPS a convertirse en fibroblastos otra vez usando otros factores de reprogramación. El resultado fue que estos fibroblastos reprogramados ya no mostraban los patrones genéticos asociados a las células envejecidas y tenían una expresión genética indistinguible de la de los fibroblastos jóvenes. En esencia, mostraron que las alteraciones epigenéticas (cambios de los patrones de expresión genética), una razón por la que envejecemos, fueron revertidas.
Además, también mostraron que la longitud de los telómeros, el funcionamiento de la mitocondria, y los niveles de estrés oxidativos fueron todos reseteados a los que se suelen observar en fibroblastos jóvenes. El deterioro de los telómeros y la disfunción mitocondrial son dos razones más por las que se cree que envejecemos.
Esta fue la primera prueba de que las células envejecidas, incluso aquellas de individuos muy mayores, podían ser rejuvenecidas, y esto llevó a una multitud de estudios que corroboraban estos hallazgos en células del mismo y de distintos tipos.
¿Pueden los factores Yamanaka ser usados en animales vivos?
Fue fácil aislar células en una placa, devolverlas a un estado de desarrollo y guiarlas a convertirse en el tipo de célula deseado usando los factores Yamanaka. Pero esto no es práctico en un animal vivo, ya que, a esas células no les pudieron borrar la memoria para devolverlas al estado pluripotente. ¡Imagine si una célula del corazón se olvidara de que es un corazón mientras se supone que tiene que estar bombeando sangre al cuerpo!
También estaba la preocupación de que se sabía que la expresión de los factores Yamanaka podía inducir cáncer en animales [4].
Algunos investigadores creyeron que sería posible evitar el cáncer y rejuvenecer las células envejecidas sin revertirlas por completo a la pluripotencia. Pero nadie lo logró en animales vivos. Esto cambió en diciembre de 2016.
El profesor Juan Carlos Izpisua Belmonte y su equipo de investigadores del instituto Salk informaron de la conclusión de su estudio, la cual mostró por primera vez que las células y los órganos de organismos vivos podían rejuvenecerse [5].
En el estudio, los investigadores usaron un ratón progérico especialmente diseñado para envejecer más rápido de lo normal junto con una raza de ratones que envejecen de forma normal. Ambos tipos de ratón fueron diseñados para expresar los factores Yamanaka en cuanto entraran en contacto con el antibiótico doxiciclina, que se les administró a través de su agua para beber.
Permitieron a los factores Yamanaka ser expresados transitoriamente mediante la inclusión de la doxiciclina en el agua durante dos días y luego quitándola para que los genes OSKM se silenciaran otra vez. Luego se dejó descansar a los ratones durante 5 días antes de volver a exponerles a la doxiciclina durante otros dos días; este ciclo se repitió durante la duración del estudio.
Reprogramación celular parcial.
Tras tan sólo 6 semanas de tratamiento, que iba reprogramando las células de los ratones, los investigadores notaron mejoras en su apariencia, incluyendo una reducida curvatura espinal, relacionada a la edad. Algunos de los ratones de los grupos experimentales y de control fueron sacrificados en este momento para poder examinar su piel, riñones, estómagos y bazos. Los ratones del grupo de control mostraron más signos de envejecimiento que los ratones tratados, que mostraban que algunos de sus signos de envejecimiento habían sido detenidos o incluso revertidos, incluyendo algunas alteraciones epigenéticas.
Los ratones tratados también experimentaron un incremento del 50% de su tiempo medio de supervivencia en comparación con los ratones progéricos sin tratar. También se debe apuntar que no todos los signos del envejecimiento se vieron afectados por la reprogramación celular parcial, y si el tratamiento cesaba, los signos del envejecimiento volvían.
Quizá lo más importante es que, aunque la reprogramación celular parcial que se llevó a cabo periódicamente resetease algunos de los signos del envejecimiento epigenético, no reseteó la diferenciación celular, lo que hubiera resultado en la reversión de la célula al estado embrionario, lo que haría que la célula olvidase que tipo de célula es; lo cual no sería algo bueno en un animal vivo.
Finalmente, no sólo consiguió la expresión transitoria de los factores Yamanaka rejuvenecer células y órganos en los ratones progéricos, sino que también pareció mejorar la regeneración de tejidos en los ratones de 12 meses que envejecían de forma normal. Los investigadores observaron que la reprogramación parcial mejoró la capacidad de estos ratones de regenerar tejidos en el páncreas, resultando en un incremento en la proliferación de células beta; además, hubo un incremento de células satélite en los músculos esqueléticos. Ambos tipos de célula suelen disminuir con la edad.
Los factores Yamanaka usados para mejorar el funcionamiento cognitivo de ratones viejos.
En octubre de 2020, otro estudio, en el que los investigadores mostraron que la reprogramación celular parcial mejora la memoria de ratones viejos, nos acercó un paso más a que la reprogramación celular parcial llegue a las clínicas. Como mostraron los estudios anteriores, la reprogramación celular parcial rejuvenece las células epigenéticamente y resetea sus relojes de envejecimiento, sin resetear por completo su identidad celular, lo cual haría a la célula olvidar su tipo [6].
Estudios anteriores también mostraron que este acto es posible y que al exponer las células el tiempo suficiente a los factores de reprogramación, pueden rejuvenecerse sin quitarles su identidad celular.
Como en el estudio anterior del que hablamos, en este estudio se usaron ratones cuyas células fueron diseñadas para reaccionar a la doxiciclina, un antibiótico común usado en prácticas veterinarias, y que expresaran los factores de reprogramación OSKM. Los investigadores descubrieron que darles a los ratones justo la exposición suficiente mejoraba sus funciones cognitivas sin incrementar el riesgo de mortalidad durante 4 meses.
Otro paso adelante para la reprogramación celular parcial.
A finales de 2020, unos investigadores, incluyendo al Dr. David Sinclair, publicaron un estudio que mostraba que habían conseguido restaurar la visión de ratones viejos con daños en los nervios de la retina, usando la reprogramación celular parcial [7].
Para reducir el riesgo de cáncer optaron por intentar la reprogramación sin uno de los factores Yamanaka. Uno de los autores del estudio, Dr. Yuancheng Lu, estaba buscando una manera más segura de rejuvenecer células envejecidas, ya que, existía la posibilidad de que usar c-Myc causara cáncer bajo ciertas circunstancias. Al final optaron por usar sólo Oct4, Sox2 y Klf4 (OSK).
Las buenas noticias eran que, usando solamente OSK era posible rejuvenecer los nervios de la retina dañados y restaurar la visión. También se trabajó para mejorar problemas de visión relacionados con la edad en ratones tratados y con ratones que experimentaban una incrementada presión ocular, una emulación del glaucoma.
El coautor del estudio, Dr. David Sinclair, dijo en un artículo de Nature, “Empezamos con una pregunta: Si los cambios epigenéticos ayudan al envejecimiento, ¿se puede resetear el epigenoma?”, o, en otras palabras, “¿Se puede dar marcha atrás al reloj?”. ¡La respuesta a eso parece ser un rotundo sí!
Refinando el método de reprogramación celular parcial.
En enero de 2021, los investigadores demostraron que la reprogramación celular parcial puede rejuvenecer células humanas 30 años, haciendo que células desgastadas funcionen como las de alguien de 25 años. Los investigadores de este estudio usaron un enfoque en el que exponían a las células a los suficientes factores de reprogramación para poder llegar al límite en el que se considerarían somáticas en lugar de células madre, pero sólo lo justo sin pasar ese límite [8].
Los fibroblastos reprogramados de esta manera retuvieron suficientes de sus memorias celulares epigenéticas para volver a ser fibroblastos. Exponer a estas células a los factores OSKM se hizo con un lentivirus activado con doxiciclina, como en los estudios anteriores hechos en animales.
Quizá lo más interesante es que, según el reloj multitejido de Horvath de 2013, las células de prueba que estaban justo por debajo de los 60 años llegaron a ser epigenéticamente equivalentes a células de 25 años tras 13 días de reprogramación celular parcial, y el reloj de piel y sangre de Horvath de 2018 mostró que unas células de aproximadamente 40 años volvieron epigenéticamente a los 25 años. Parece que las células vuelven a una edad epigenética de 25, sugiriendo que esta es la edad óptima para el funcionamiento celular.
Los futuros desafíos para la reprogramación celular parcial.
Hasta ahora, el mayor desafío para poder llevar la reprogramación celular parcial a la gente es la necesidad de encontrar la forma de poder usar los factores Yamanaka sin modificar nuestros cuerpos para que reaccionen ante medicinas como la doxiciclina. Hacer esto puede requerir que desarrollemos medicinas capaces de activar OSKM, editando todas las células de nuestro cuerpo para reaccionar a determinados compuestos como la doxiciclina, lo que sería un gran desafío, pero plausible.
Otra posibilidad sería editar la línea germinal para que nuestros hijos nazcan con una modificación que les permita responder al compuesto elegido, una idea que es una pesadilla, por razones éticas, como para poder considerarla, por no mencionar las dificultades a nivel técnico que habría que superar. Cualquiera que sea la solución, necesita ser práctica.
Otro desafío significativo es encontrar un método a largo plazo que no requiera un mantenimiento constante, para que el envejecimiento no vuelva rápidamente como en los ratones cuando se interrumpía el tratamiento. Aunque hay razones para creer que los signos de la edad no volverán tan pronto en humanos por nuestros distintos metabolismos y superiores sistemas de reparación, lo más seguro es que terminen volviendo. Así que, encontrar un modo eficiente para mantener un tratamiento cíclico es primordial; esto podría conseguirse usando medicinas o terapia genética transitoria.
El futuro de los factores Yamanaka para combatir el envejecimiento.
Dando por hecho que estas barreras pueden ser superadas, por los rápidos avances en biotecnología, la reprogramación celular parcial tendría potencial para prevenir e incluso curar las enfermedades relacionadas con la edad.
Uno puede imaginarse que en las etapas tempranas, usarán este enfoque para prevenir: se les podría aplicar a personas mayores en riesgo de contraer enfermedades relacionadas con la edad la reprogramación parcial para detener o al menos ralentizar este aspecto del envejecimiento, reduciendo el riesgo de desarrollar dichas enfermedades.
En etapas más refinadas, se podría usar de forma más enfocada para reparar órganos o tejidos dañados. En un caso aún más avanzado, podría intentarse rejuvenecer todo el cuerpo de personas mayores para prevenir por completo la aparición de enfermedades de la edad y mantener a estas personas sanas y activas, capaces de seguir disfrutando de sus vidas.
Empresas como Google Calico están investigando maneras alternativas de conseguir la reprogramación celular parcial sin usar los factores Yamanaka. Esta otra dirección de investigación puede demostrar ser más práctica y segura que usar los factores Yamanaka.
El rápido progreso de la tecnología médica podría significar que las terapias de reprogramación celular parcial estarán disponibles en un futuro no muy lejano. Al menos eso es lo que nosotros esperamos.
Fuente: www.lifespain.io
Bibliografía:
[1] Takahashi, K., & Yamanaka, S. (2006). Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors. cell, 126(4), 663-676.
[2] Lapasset, L., Milhavet, O., Prieur, A., Besnard, E., Babled, A., Aït-Hamou, N., … & Lehmann, S. (2011). Rejuvenating senescent and centenarian human cells by reprogramming through the pluripotent state. Genes & development, 25(21), 2248-2253.
[3] López-Otín, C., Blasco, M. A., Partridge, L., Serrano, M., & Kroemer, G. (2013). The hallmarks of aging. Cell, 153(6), 1194-1217.
[4] Abad, M., Mosteiro, L., Pantoja, C., Canamero, M., Rayon, T., Ors, I., … & Manzanares, M. (2013). Reprogramming in vivo produces teratomas and iPS cells with totipotency features. Nature, 502(7471), 340.
[5] Ocampo A, Reddy P, Martinez-Redondo P, Platero-Luengo A, Hatanaka F, Hishida T, Li M, Lam D, Kurita M, Beyret E, Araoka T, Vazquez-Ferrer E, Donoso D, Roman JLXJ, Rodriguez-Esteban C, Nuñez G, Nuñez Delicado E, Campistol JM, Guillen I, Guillen P, Izpisua Belmonte JC. In vivo amelioration of age-associated hallmarks by partial reprogramming. Cell. 2016;167:1719–33.
[6] Rodríguez-Matellán, A., Alcazar, N., Hernández, F., Serrano, M., & Ávila, J. (2020). In Vivo Reprogramming Ameliorates Aging Features in Dentate Gyrus Cells and Improves Memory in Mice. Stem cell reports, 15(5), 1056-1066.
[7] Lu, Y., Brommer, B., Tian, X., Krishnan, A., Meer, M., Wang, C., … & Sinclair, D. A. (2020). Reprogramming to recover youthful epigenetic information and restore vision. Nature, 588(7836), 124-129.
[8] Gill, D., Parry, A., Santos, F., Hernando-Herraez, I., Stubbs, T. M., Milagre, I., & Reik, W. (2021). Multi-omic rejuvenation of human cells by maturation phase transient reprogramming.