Bloqueo del tránsito depresivo
Los transportadores de serotonina son proteÃnas integrales de membrana capaces de recaptar este neurotransmisor desde el espacio sináptico hacia el interior de las células. Este fenómeno celular, se relaciona con casos de cuadros depresivos y variados trastornos neurológicos. Los avances en esta materia son el reflejo de análisis estructurales de estas proteÃnas transportadoras, lo que ha permitido identificar un sitio de unión a fármacos que compiten con la serotonina, evitando el reingreso del neurotransmisor y aumentando su disponibilidad durante la sinapsis. Interesantemente, estas moléculas, conocidas como inhibidores selectivos de recaptación de serotonina, además pueden acoplarse a un segundo sitio - denominado alostérico- presente en el transportador. Esta unión, permite aumentar la afinidad del fármaco asociado al sitio principal y como consecuencia, potenciar el efecto inhibitorio. Estos enfoques basados en la biologÃa estructural de proteÃnas tan relevantes, ofrecen nuevas oportunidades terapéuticas para las complicaciones del sistema nervioso central.
Transportador de serotonina
En un reciente artÃculo, Jonathan A. Coleman y colaboradores (Nature. 2016 Apr 21;532(7599):334-9) describieron la primera estructura de alta resolución del transportador de serotonina (SERT). Esta proteÃna, recaptura moléculas de serotonina que han sido liberadas por la célula y, de esta forma, modula los efectos de este importate neurotransmisor en neuronas vecinas. Quienes no estén familiarizados con SERT podrÃan preguntarse si determinar su estructura molecular es algo relevante. En primer lugar, es técnicamente un desafÃo purificar grandes cantidades de SERT requeridas para el análisis estructural. En segundo lugar, la visualización de la estructura molecular detallada de una proteÃna de este tipo, podrÃa proporcionar oportunidades sin precedentes para desarrollar terapias más selectivas y eficaces para enfermedades como la depresión.
Los neurotransmisores serotonina, dopamina y noradrenalina son liberados desde neuronas particulares y cruzan la hendidura sináptica para unirse a los receptores de neuronas vecinas, en las que modulan los efectos de señales inhibitorias o excitatorias de otros neurotransmisores. El SERT, junto con los transportadores de dopamina (DAT) y de noradrenalina (NET), pertenece a la familia de proteÃnas de transporte de neurotransmisores sodio symporter (NSS), que a su vez es parte de la segunda mayor clase de proteÃnas integrales de membrana en mamÃferos. Es decir, proteÃnas que movilizan iones, pequeñas moléculas y nutrientes dentro y fuera de las células. Los SERT, DAT y NET son expresados selectivamente en la superficie de neuronas presinápticas y, mediante la recaptación de serotonina, dopamina y noradrenalina de vuelta a la célula, actúan terminando los efectos moduladores de tales neurotransmisores.
Estudios de silenciamiento génico realizados hace casi 20 años, muestran que los tres transportadores desempeñan un rol esencial en el mantenimiento diario del control de la señalización neuronal. Su relevancia se ha destacado, además, por el descubrimiento de mutaciones raras en genes codificantes para tales proteÃnas transportadoras, anomalÃas que se han vinculado a enfermedades como el autismo, el trastorno de hiperactividad con déficit de atención (THDA) y Parkinson.
Drogas como la cocaÃna, las anfetaminas y el éxtasis, ejercen su acción psicoestimulante por medio del secuestro de las proteÃnas transportadoras. Por otro lado, medicamentos que se dirigen a SERT, NET y DAT, son utilizados para tratar la depresión y el TDAH, entre otras condiciones. Los antidepresivos, incluyendo los inhibidores selectivos de la recaptación de serotonina (ISRS) y los de noradrenalina y serotonina (IRSN), bloquean los transportadores, evitando la recaptación del neurotransmisor y, por lo tanto, aumentan su disponibilidad y actividad global en la sinapsis. En teorÃa, asà es cómo los ISRS y los IRSN alivian algunos de los sÃntomas de la depresión y otras condiciones relacionadas con el estado de ánimo.
En 2005, el grupo que lleva a cabo los estudios actuales, determinó la estructura de LEUT, un pariente bacteriano de SERT. El transportador de leucina (LEUT) participa en la absorción de nutrientes en estos organismos unicelulares y funciona de manera similar a SERT. En 2013, los investigadores también identificaron la estructura de DAT en la mosca de la fruta. Este estudio sugiere que la organización estructural de estas proteÃnas es altamente conservada evolutivamente, y por otro lado, define elementos estructurales que indican que el mecanismo por el que los NSS transportan sustratos también es conservado. Al proporcionar conocimientos moleculares sobre la estructura del SERT en humanos, el presente estudio confirma que la naturaleza, cuando encuentra una manera de hacer algo, lo hace una y otra vez. Pero en el caso de SERT, existe un interesante giro a este fenómeno.
Para identificar estructuras en alta resolución usando cristalografÃa de rayos X, las proteÃnas deben ser purificadas en grandes cantidades. Las proteÃnas transmembrana son notoriamente difÃciles de purificar, porque son inestables una vez retiradas del ambiente hidrófobo de la bicapa lipÃdica. Previamente, las proteÃnas de membrana se estabilizaban con éxito mediante la introducción de mutaciones, induciendo la formación de un complejo con proteÃnas fácilmente cristalizables, o incluso mediante el desarrollo de anticuerpos para la estabilización de las proteÃnas nativas. Coleman y sus colegas, utilizaron un escaneo cuidadosamente elaborado para identificar unos pocos residuos de aminoácidos que podrÃan ser mutados para estabilizar al SERT, para purificarlo sin afectar sus propiedades funcionales. Los cristales resultantes, revelaron que más de 600 residuos aminoacÃdicos de SERT se enhebran unas 12 veces a través de la membrana para formar una estructura 3D diseñada para mediar el transporte de neurotransmisores acoplados a iones.
Los autores utilizaron cristalografÃa de rayos X para determinar las estructuras del SERT unidos a dos ISRS: paroxetina y escitalopram (el S-enantiómero de citalopram). Encontraron una molécula de paroxetina unida fuertemente en el centro de la cavidad del SERT, localizada profundamente dentro de la membrana plasmática. Como consecuencia, se bloquea competitivamente el transporte de serotonina. Sin embargo, dos moléculas de escitalopram se unen al SERT: una, como la paroxetina, lo realiza con una alta afinidad de la cavidad central, y la segunda más libremente en un vestÃbulo orientado hacia el exterior (fig. 1).
Figura 1. Bloqueo antidepresivo de una proteÃna transportadora.
a, La molécula neurotransmisora, serotonina, es captada por las neuronas mediante la proteÃna transportadora de serotonina (SERT), a través de una unión de alta afinidad en una cavidad central. b, Coleman y colegas identificaron las estructuras del SERT unidas a dos antidepresivos: paroxetina o escitalopram (sólo se muestra escitalopram). Ambos fármacos se unen a la cavidad central, bloqueando el transporte de serotonina, al competir con el neurotransmisor por el sitio de unión. Escitalopram también se une en un segundo sitio, denominado alostérico, que se cree que prolonga la unión en el sitio central, mejorando la eficacia del bloqueo farmacológico del SERT.
La existencia de un segundo sitio de unión (conocido como alostérico) aparte del principal, se propuso hace más de 30 años. En 2012, el modelado y experimentos de mutación, sugirieron que el sitio se encuentra orientado hacia el exterior, tal como Coleman y colegas confirman. Los estudios previos sugirieron que, cuando está presente en concentraciones suficientemente altas, la unión de escitalopram en el sitio alostérico, podrÃa retardar notablemente la disociación de fármacos unidos al sitio de alta afinidad - prolongando asà la actividad inhibitoria del medicamento. Este fenómeno "modificador alostérico positivo" se ha propuesto para explicar la superior eficacia clÃnica del escitalopram en comparación con otros ISRS, pero confirmar tal mecanismo en estudios con animales ha sido difÃcil. A pesar de esto, la documentación molecular acerca del sitio alostérico es de gran relevancia dado que su estructura podrÃa proporcionar oportunidades no apreciadas previamente para el desarrollo de fármacos selectivos.
La presencia de sitios alostéricos en proteÃnas de membrana podrÃa ser más común de lo previsto. Un ejemplo de la potencialidad de este hallazgo proviene de los receptores acoplados a proteÃna G (GPCR, por sus siglas en inglés) - proteÃnas de membrana que unen serotonina, dopamina, noradrenalina, y muchas otras moléculas de señalización en neuronas postsinápticas. La determinación exitosa de las estructuras de más de dos docenas de estos receptores ha posibilitado el hallazgo de muchos sitios de unión alostéricos potenciales que están siendo aprovechados para desarrollar modificadores positivos o negativos de señalización para combatir enfermedades. La misma oportunidad ahora podrÃa presentarse para los transportadores. La visualización de la dinámica funcional de estas proteÃnas, junto con el modelado molecular de unión de diferentes fármacos, ofrece oportunidades sin precedentes para el desarrollo de mejores tratamientos para los trastornos del sistema nervioso central.
Fuente bibliográfica
Structural Biology: Antidepressants at work
Marc G. Caron & Ulrik Gether
Departments of Cell Biology, Medicine and Neurobiology, Duke University Medical Center, Durham, North Carolina 27710, USA.
doi:10.1038/nature17883