El rol de la proteína cGAS (GMP-AMP sintasa cíclica) y su potencial en futuros tratamientos.

La autoinmunidad, es una característica de diversas enfermedades autoinmunitarias. Para comprender por qué esto sucede, es importante saber varios aspectos, incluyendo cómo funciona el sistema inmunológico, los factores que desencadenan la autoinmunidad y algunas de las enfermedades asociadas.

El sistema inmunológico es una red compleja de células, tejidos y órganos que trabaja en conjunto para defender al cuerpo de invasores externos como virus, bacterias y hongos. Entre sus componentes principales se encuentran:

1. Linfocitos B: Producen anticuerpos que se unen a antígenos (sustancias extrañas) y ayudan a neutralizarlos.
2. Linfocitos T: Hay dos tipos principales, los linfocitos T helper, que activan otras células del sistema inmunológico, y los linfocitos T citotóxicos, que atacan células infectadas o cancerosas.
3. Células presentadoras de antígenos: Estas células procesan los antígenos y los presentan a los linfocitos T, iniciando así una respuesta inmune.

En condiciones normales, el sistema inmunológico distingue entre las células del propio cuerpo, es decir nuestras propias células, y las células y/o sustancias extrañas. Sin embargo, en algunas personas, este mecanismo de autoconocimiento se rompe o se encuentra alterado, y el sistema inmunológico comienza a atacar las células del propio cuerpo.

Mecanismos de Autoinmunidad

Algo muy importante a tener en cuenta para así entender el porqué nuestro cuerpo se ataca a sí mismo, es entender como la autoinmunidad puede surgir. Y es a través de varios mecanismos, que incluyen:

1. Pérdida de Tolerancia Inmunológica: Normalmente, durante el desarrollo del sistema inmunológico, los linfocitos que reaccionan contra las células del propio cuerpo son eliminados en un proceso llamado “tolerancia central”. Si este proceso falla, ciertos linfocitos pueden sobrevivir y atacar los tejidos del cuerpo.
2. Mimetismo Molecular: Algunas veces, los invasores externos (como ciertos virus) pueden tener estructuras similares a las proteínas del cuerpo. Cuando el sistema inmunológico responde a estos invasores, puede también atacar las células que contienen proteínas similares, debido a la confusión en la identificación de «yo» y «no yo».
3. Factores Genéticos: Hay evidencias que sugieren que la predisposición genética puede jugar un papel importante en el desarrollo de enfermedades autoinmunitarias. Ciertas variaciones genéticas pueden afectar cómo el sistema inmunológico reconoce las células del cuerpo.
4. Factores Ambientales: Existen varios factores ambientales que pueden desencadenar la autoinmunidad. Estos pueden incluir infecciones virales o bacterianas, exposición a sustancias químicas, y cambios hormonales. Por ejemplo, algunas mujeres pueden desarrollar enfermedades autoinmunitarias durante o después del embarazo.
5. Efectos de la Microbiota: La microbiota intestinal, que consiste en billones de microorganismos que viven en nuestro intestino, también puede influir en el sistema inmunológico. Un desequilibrio en estas bacterias puede afectar cómo el sistema inmunológico reacciona, contribuyendo así a la autoinmunidad.

Enfermedades Autoinmunitarias

Existen más de 80 enfermedades autoinmunitarias conocidas, algunas de las más comunes incluyen:

1. Artritis Reumatoide: En esta enfermedad, el sistema inmunológico ataca el revestimiento de las articulaciones, lo que provoca inflamación, dolor y eventualmente daño articular.
2. Lupus Eritematoso Sistémico (LES): El lupus puede afectar múltiples sistemas del cuerpo, incluyendo la piel, articulaciones, riñones y el sistema nervioso. Es un trastorno complejo con una variedad de síntomas que a menudo varían de una persona a otra.
3. Esclerosis Múltiple: En esta enfermedad, el sistema inmunológico ataca la mielina, la sustancia que recubre las fibras nerviosas, lo que interfiere con la comunicación entre el cerebro y el resto del cuerpo.
4. Diabetes Tipo 1: En esta enfermedad, el sistema inmunológico ataca las células beta del páncreas que producen insulina, lo que lleva a una incapacidad para regular adecuadamente los niveles de azúcar en sangre.
5. Enfermedad Celíaca: En esta condición, la ingestión de gluten (una proteína que se encuentra en el trigo, la cebada y el centeno) provoca una reacción inmune que daña el revestimiento del intestino delgado.
6. Encefalitis autoinmune: es una enfermedad que ocasiona inflamación por una respuesta inmunitaria anormal donde anticuerpos atacan a diversas células o estructuras del cerebro.

Tratamiento y Manejo

El tratamiento de enfermedades autoinmunitarias se centra en reducir la actividad del sistema inmunológico y aliviar los síntomas. Esto puede incluir:

• Medicamentos Inmunosupresores: Se utilizan para reducir la respuesta inmunológica, ayudando a prevenir que el sistema inmunológico ataque las células del cuerpo.
• Antiinflamatorios: Ayudan a disminuir la inflamación y el dolor.
• Terapias Biológicas: Estos son medicamentos más recientes que se dirigen a partes específicas del sistema inmunológico.
• Rehabilitación y Fisioterapia: Incluyen ejercicios y terapias para ayudar a mantener la movilidad y la calidad de vida.

El hecho de que el cuerpo ataque sus propias células es resultado de una compleja interrelación entre factores genéticos, ambientales y mecanismos del sistema inmunológico que, por diversas razones, pierden su capacidad para distinguir lo propio de lo ajeno.

Inicialmente, se descubrió que cGAS (GMP-AMP sintasa cíclica) funcionaba en el citoplasma, aunque hay evidencia que indica que cGAS existe en el núcleo, donde está involucrado en el proceso de reparación del daño del ADN. Debido a la estrecha conexión entre la respuesta al daño del ADN y la respuesta inmune y a que cGAS reconoce el ADN de maneras dependientes de la longitud pero independientes de la secuencia de ADN, es urgente aclarar el equilibrio funcional de cGAS en el núcleo frente al citoplasma y cómo se lo protege de reconocer el ADN de origen del huésped. 

Los últimos estudios han descubierto que la GMP-AMP sintasa cíclica detecta el ADN aberrante durante la infección, el cáncer y las enfermedades inflamatorias, e inicia potentes respuestas inmunitarias innatas mediante la síntesis de 2′3′-GMP-AMP cíclico. La actividad indiscriminada de cGAS hacia el ADN exige mecanismos reguladores estrictos que son necesarios para mantener la homeostasis celular y tisular en condiciones normales. 

Dentro del núcleo celular, el anclaje a los nucleosomas y la competencia con las proteínas arquitecturales de la cromatina prohíben conjuntamente la activación de cGAS por el ADN genómico. Sin embargo, el destino de cGAS nuclear y su papel en la fisiología celular sigue sin estar claro. Se demostró con este estudio que el sistema proteasomal de ubiquitina degrada cGAS nuclear en células en ciclo.

Identificamos SPSB3 como el receptor de sustrato dirigido a cGAS que se asocia con el complejo cullin-RING ubiquitina ligasa 5 para ligar la ubiquitina al cGAS nuclear. Una estructura de microscopía crioelectrónica de cGAS unido a nucleosomas en un complejo con SPSB3 revela un motivo de degron mínimo Asn-Asn altamente conservado en el extremo C de cGAS que dirige el reclutamiento de SPSB3, la ubiquitinación y la estabilidad de la proteína cGAS.

Cuando ocurre la mitosis, es decir, cuando la envoltura nuclear se desmonta, cGAS se recluta rápidamente en los cromosomas y, a través de este mecanismo, se reubica en el interior nuclear​. Hallazgos recientes informaron que el grupo nuclear de cGAS es en gran parte inmóvil e inactivo. Este estado se logra a través de la unión estrecha de cGAS a la zona ácida en la superficie del nucleosoma que enmascara elementos esenciales necesarios para la unión del ADN y la activación enzimática. 

La supresión de cGAS intranuclear se ve facilitada además por la proteína arquitectónica de la cromatina BAF, que protege al ADN bicatenario de la unión de cGAS15. Estos conocimientos dilucidaron los principios de la regulación de cGAS dentro del núcleo. Sin embargo, no está claro cómo las células coordinan la presencia de cGAS en la cromatina con los procesos genómicos generales de mantenimiento.

Identificación de SPSB3 y CUL5 en la regulación de cGAS nuclear

La secuencia de imagen representativa que demuestra la unión cromosómica de cGAS en la mitosis seguida de redistribución y degradación intranuclear en células HeLa que expresan cGAS–GFP. Cada punto muestra la intensidad media de cGAS–GFP contra la intensidad integrada, se pudo observar que los genes que produjeron niveles aumentados de cGAS-GFP en relación con el ARNi del control.

Degradación intranuclear de cGAS

Para determinar el destino del cGAS nuclear, se rastreó el cGAS marcado con GFP mediante el análisis de imágenes de células vivas de células HeLa. De acuerdo con observaciones previas, observaron que, después de la mitosis, la abundancia de cGAS nuclear disminuyó progresivamente a lo largo del ciclo celular posterior.

El análisis de citometría cuantitativa basada en imágenes reveló una disminución continua del cGAS nuclear desde la fase G1 a la G2 del ciclo celular que se acentuó más en la fase G1 y fue acompañada por un aumento complementario en los niveles de cGAS citosólico. Durante la mitosis, cuando el cGAS se co-localiza con la cromatina, no se registró ningún cambio adicional en los niveles de cGAS. Los investigadores verificaron estas observaciones en células HeLa vírgenes y confirmaron que el es grupo nuclear, pero no el grupo citosólico, de cGAS endógeno el que disminuye gradualmente durante la interfase.

Se logró demostrar la degradación intranuclear de cGAS en células HeLa que expresan cGAS-GFP y PCNA.

Como primera barrera de defensa del huésped, la inmunidad innata busca establecer al margen los ataques externos de microbios o virus. Dependiendo del tipo de patógeno, existen varios receptores de reconocimiento de patrones del citoplasma para detectar los ataques de origen

externo o del huésped, lo que desencadena la respuesta inmune para combatir las infecciones.

Entre ellos, cGAS es la vía principal que responde principalmente al ADN microbiano, las infecciones de virus de ADN o el ADN propio, que principalmente proviene de subproductos de inestabilidad del genoma o ADN liberado de las mitocondrias. 

Sensores de ADN

Existen muchos sensores de ADN en el citoplasma; aunque algunos de ellos también pueden responder al ARN, aquí podremos comentar algunos del grupo de sensores que pueden desencadenar la respuesta inmune bajo ataque del ADN, en el que algunos de ellos están particularmente en la vía de respuesta inmune; aunque algunos son factores de reparación de ADN clásicos, estos factores de reparación de ADN existen tanto en el núcleo como en el

citosol, y ejecutan diferentes funciones bajo ciertas condiciones. 

Estos sensores de ADN incluyen:

• Activador dependiente de ADN de factores reguladores de IFN (DAI)
• Proteína 1 que interactúa con LRR (en Flightless I) (LRRFIP1)
• Polipéptido 41 de DEAD (Asp-Glu-Ala-Asp) (DDX41).
• Ausente de AIM2. 
• Proteína 16 inducible por IFN-g (IFI16), reconoce el ADN patogénico tanto en el citoplasma como en el núcleo celular.
• DHX36 y DHX9, su eliminación conduce a la inducción de respuestas significativamente reducidas de IFN-I o TNF-α cuando se enfrentan al virus del ADN
• Grupo de alta movilidad (HMGB).
• El heterodímero Ku70.
• El gen MRE11, regulador negativo de la reparación de errores de emparejamiento del ADN humano.
• Sintetasa de GMP AMP cíclico (cGAMP) (cGAS).
• El inflamasoma que activa la caspasa-1 con proteína tipo speck asociada a la apoptosis que contiene un CARD (ASC).
• DAI, también conocida como proteína de unión a ADN-Z 1 y DLM-1

El DAI debido a su capacidad para unirse a ADN de doble cadena, fue identificada como el primer sensor de ADN citoplasmático después de TLR9, activando NF-kB mediante la unión a la quinasa 1 de unión al activador de NF-kappa-B asociado a la familia TRAF (TANK) (TBK1) y al complejo del factor regulador de IFN 3 (IRF3).

Sin embargo, si DAI juega un papel relevante en la detección de ADN requiere una verificación experimental adicional. Los LRR son motivos clave en el dominio TLR responsable de reconocer los PRR, y se descubrió que el LRRFIP1 localizado en el citoplasma se une a ADN de doble cadena y ARN de doble cadena, pero no a ADN de cadena simple y ARN de cadena simple.

Estudios recientes han demostrado que el cGAS existe en el núcleo y está asociado con la inestabilidad genómica inducida por el daño al ADN. El daño al ADN en sí mismo conduce a la formación de micronúcleos; el cGAS en el citoplasma puede coubicarse con el ADN roto y reconocerlo en los micronúcleos, después de la activación de la respuesta inmunitaria dependiente de cGAS-STING. 

La inestabilidad genómica dependiente de cGAS en el núcleo y la inestabilidad genómica relacionada con la respuesta inmunitaria en el citosol hacen que sea fundamental comprender el mecanismo de transporte del cGAS entre el citoplasma y el núcleo, y cómo el cGAS se limitó a reconocer el ADN propio en condiciones no perturbadas.

Hasta ahora, la mayoría de los estudios sobre cGAS se centran en su función de respuesta inmunitaria al citosol. Debido a que cada vez hay más pruebas de que cGAS se localiza permanentemente en el núcleo como proteína de unión a la cromatina, será interesante para el futuro en la inmunología y genética investigar mucho más a fondo su función en el núcleo, especialmente desde el punto de vista de la modificación posterior a la traducción del material genético.

Procesos de reparación

La ubiquitinación es la vía de la ubiquitina proteosoma, la cual se encuentra implicada en el recambio intracelular de las proteínas y juega un papel importante en la degradación de proteínas reguladoras de vida corta, implicadas en una serie amplia de procesos celulares tales como: regulación del ciclo celular, modulación de los receptores de superficie y canales iónicos, procesamiento y presentación de antígenos y activación de factores de transcripción

La sumoilación (SUMOilación) es una modificación postraduccional mediante la cual algunas de las proteínas celulares son covalentemente modificadas mediante la adición de otra pequeña proteína  llamada SUMO (small ubiquitin-related modifier).

La metilación es el proceso donde se agregan grupos metilo, esta acción de las ADN metiltransferasas de mantenimiento ocasiona que el ADN sea metilado al inicio de la replicación, y por esta razón los patrones son heredados de una manera semiconservativa y pueden ser perpetuados en la población celular

Estos son procesos que se han observado en diversos estudios y que ocurren en el núcleo, y nos ayudan a desentrañar muchas interrogantes interesantes y urgentes de resolver para muchos investigadores . 

Investigar desde su actividad, interacción proteína-proteína, unión a la cromatina, liberación de cromatina, cierre del núcleo al citosol hasta la inhibición inmunitaria, entre otras acciones; es fundamental para entender el proceso de la autoinmunidad.

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Artículo redactado por las Asesoras y Colaboradoras de Enevia: Dra. Julianny Albarrán, Médico cirujano, medicina general con más de 5 años de experiencias en el área y la Ing. Yohana Céspedes, Ingeniera Química y mamá TEA.

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Bibliografía

Xu P, Liu Y, Liu C, Guey B, Li L, Melenec P, Ricci J, Ablasser A. The CRL5-SPSB3 ubiquitin ligase targets nuclear cGAS for degradation. Nature. 2024 Mar;627(8005):873-879. doi: 10.1038/s41586-024-07112-w. Epub 2024 Feb 28. PMID: 38418882; PMCID: PMC10972748.

Song JX, Villagomes D, Zhao H, Zhu M. cGAS in nucleus: The link between immune response and DNA damage repair. Front Immunol. 2022 Dec 15;13:1076784. doi: 10.3389/fimmu.2022.1076784. PMID: 36591232; PMCID: PMC9797516.