Piezos: moléculas del tacto

Tocar, acariciar, golpear... estas sensaciones basadas en el tacto no solo son elementos que potencian nuestra comunicación, sino que pueden ser medios de comunicación en sí mismos (piense en la importancia del braille para una persona invidente). Como los otros cuatro sentidos, el tacto nos brinda información del ambiente y nos permite adaptarnos, para lo cual, dicha información debe poder ser interpretada por el cerebro. ¿Cómo interpreta nuestro cuerpo un toque, una caricia o un golpe? Desde luego, existen bases moleculares y genéticas inmiscuidas en todo esto y nosotros las vamos a explorar.
(Imagen: pixabay.com)  

El 4 de octubre de este año (2021) se dio a conocer a los ganadores del Premio Nobel en Fisiología o Medicina: los científicos David Julius (EE.UU) y Ardem Patapoutian (Líbano). Los investigadores se hicieron merecedores de este reconocimiento debido a sus estudios, cuyos resultados han sido cruciales para poder entender cómo nuestro cuerpo es capaz de percibir el calor, el frío, la presión y el tacto. 

A continuación le invitamos a leer este artículo, que explica la importancia del trabajo de uno de los nobel, el biólogo A. Patapoutian, quien utilizando células sensibles al tacto, descubrió una nueva clase de "sensores proteicos" que hace posible la respuesta a estímulos mecánicos en la piel y otros órganos internos.

Los experimentos de Patapoutian

Patapoutian y su equipo querían saber cuáles son las estructuras y mecanismos celulares que permiten la percepción de fuerzas mecánicas y, a pesar de no tener muy claro qué componente celular podría ser el principal responsable, esperaban que la molécula que desencadenara la respuesta ante estos estímulos fuera una proteína receptora ubicada en la membrana de la célula, la cual debería funcionar como un canal iónico (ver figura de abajo). Entonces, como primer paso para poder resolver el misterio, debían diseñar adecuadamente el experimento, y fue así que, luego de discutir algunas opciones, Patapoutian y compañía decidieron trabajar con un tipo especial de células en cultivo, que emiten una señal eléctrica medible cuando son tocadas o empujadas con la punta de una micropipeta (una punta fina, casi como una aguja). 

Un canal iónico es una proteína ubicada en la membrana de la célula que funciona como un túnel para el ingreso o salida de pequeños átomos o moléculas cargadas (cationes y/o aniones), las cuales pueden iniciar una respuesta en la célula. Los canales iónicos pueden abrirse o cerrarse en respuesta a estímulos diversos como la unión de una proteína mensajera, calor, cambios en el potencial eléctrico, etc.

Tras muchos días de trabajo incesante, las investigaciones dieron sus frutos, y el equipo de científicos encontró un total de 72 genes candidatos, entre los cuales estaría aquel con la información necesaria para la síntesis de la proteína de membrana buscada. Para poder determinar cuál es el "gen ganador", los investigadores empezaron a inactivarlos uno a uno (mediante técnicas de genética molecular) hasta dar con aquel sin el cuál la célula pierde su mecanosensibilidad (capacidad de respuesta ante estímulos mecánicos). Luego de un arduo trabajo, finalmente dieron con el objetivo: hallaron un único gen que, al ser inactivado, eliminaba la capacidad de respuesta de las células ante la fuerza aplicada con la punta de la micropipeta. ¡Eureka! Un nuevo y desconocido canal iónico mecanosensible había sido descubierto, y al gen se le puso el nombre de PIEZO1. Estudios posteriores permitieron hallar un segundo gen similar, al cuál se le denominó PIEZO2.

Naturaleza de las proteínas Piezos

El descubrimiento de los genes PIEZO1 y PIEZO2 y su relación con la respuesta a estímulos de fuerza mecánica, despertó el interés de los científicos por conocer su naturaleza estructural y funcional, así como la de sus productos: las proteínas PIEZO1 y PIEZO2. El conocimiento profundo de estos genes y sus productos permitirían el entendimiento de un proceso fisiológico muy importante, como es la "conversión" de señales mecánicas de fuerza y presión en señales biológicas que el cerebro pueda interpretar. A este proceso específico de "conversión" de señales se le denomina mecanotransducción, y hoy en día se sabe que es importante en la regulación de diversos eventos como el desarrollo embrionario, tacto, percepción del dolor, audición, propiocepción, presión sanguínea, metástasis tumorales, entre otros.

Los genes PIEZO1 y PIEZO2 se encuentran ubicados en distintos cromosomas, el 16 y el 18, respectivamente. Las proteínas sintetizadas a partir de estos genes homólogos poseen una identidad (entendida como similaridad) de 43%, dato que hemos obtenido mediante la herramienta bioinformática BlastP. Las proteínas Piezos están conformadas por la repetición de tres subunidades (son trímeros), cada una de las cuales está conformada por  una cadena de 2500 aminoácidos aproximadamente (más información sobre estructura de proteínas en este vídeo). Cada subunidad posee segmentos que entran y salen de la membrana plasmática debido a su naturaleza hidrofóbica (denominados segmentos transmembrana), lo que permite que puedan permanecer "ancladas" de manera estable entre los fosfolípidos de la membrana (esta es una característica común de las proteínas integrales de membrana [vídeo]). 

Las proteínas PIEZO1 y PIEZO2 son similares pero muy posiblemente, han evolucionado para cumplir roles diferentes según los tejidos y órganos en los cuales se encuentran. La activación mecánica de los canales iónicos Piezos permite la entrada de cationes de sodio y calcio, evento que puede iniciar la propagación de señales eléctricas (impulsos nerviosos, por ejemplo) o la activación de rutas celulares internas mediadas por moléculas mensajeras secundarias. Para facilitar el entendimiento del mecanismo de funcionamiento de la proteína PIEZO1 (similar al de PIEZO2), vea el vídeo al final de este artículo.

 

Los genes PIEZO1 y PIEZO2 se encuentran ubicados en cromosomas diferentes. El primero está en el brazo largo del 16, mientras que el segundo, en el brazo corto del 18 (a). Las proteínas Piezos poseen una estructura tridimensional muy similar y están conformadas por 3 subunidades que se repiten, las cuales están dispuestas a manera de blades o aspas de molino (b). Si vemos la proteína de costado, se podrá apreciar que el ángulo de las aspas con el eje central de la proteína hace que se forme una depresión o concavidad en la membrana, la cuál resultaría importante para que PIEZO1 (o PIEZO2) pueda activarse ante cualquier estímulo mecánico alrededor (c). 
(La figura en b ha sido modificada del artículo de Liang & Howard, 2018. El modelo estructural en c fue diseñado con base en el mismo artículo).

Importancia funcional de la proteína PIEZO1

La mayoría de estudios llevados a cabo para entender el funcionamiento de PIEZO1 se han realizado en ratones, que son los modelos biológicos mamíferos más conocidos. Gracias a estos estudios, se ha visto que el gen PIEZO1 se expresa predominantemente en células no neuronales y que el canal iónico PIEZO1 es esencial para la mecanotransducción de fuerzas de origen interno o externo, aplicadas a la membrana plasmática.

Una de los roles de PIEZO1 es el de regular la mecanotransducción a nivel cardiovascular. Tanto la forma como el funcionamiento del corazón y los vasos sanguíneos están influenciados por fuerzas mecánicas, originadas por la presión sanguínea. Las células del endotelio (aquellas que tapizan las paredes internas de los vasos sanguíneos) y las del músculo liso vascular responden a eventos físicos como la tensión cortante y el estiramiento circunferencial, en función de los cuales se regula el tono vascular (nivel de constricción del vaso) y el diámetro arterial, procesos que no serían posibles sin la presencia de los canales PIEZO1. Un hecho sorprendente adicional es que, durante el desarrollo del embrión, la tensión cortante marca el inicio de la migración y alineamiento de las células del endotelio vascular, eventos cruciales para la formación y maduración de los vasos sanguíneos y que, como es de esperarse, dependen de la mecanotransducción mediada por PIEZO1.

Otro rol que cumple esta proteína es la regulación fisiológica de los glóbulos rojos. Estas células experimentan diversas fuerzas mecánicas durante su transporte a lo largo de los vasos sanguíneos y, en medio de este estrés mecánico constante, tienen que regular su volumen. Este fenómeno de regulación fue descubierto tras realizar estudios en animales (ratones y peces cebra), y se ha asociado a la presencia de la proteína PIEZO1 en las membranas de los eritrocitos. Funcionalmente, la regulación volumétrica ocurre gracias al equilibrio entre la entrada de cationes Na+ y Ca+ (a través de PIEZO1) y la salida de iones K+. El Ca+ que ingresa al glóbulo rojo activa el canal Gardos de K+, haciendo que este ion salga. Se han encontrado mutaciones en el gen PIEZO1 que modifican el funcionamiento del canal iónico, haciendo que los glóbulos rojos se sobrehidraten o deshidraten. Muchos de los detalles de este fenómeno regulatorio aun siguen en estudio.

PIEZO1 es importante también para el mantenimiento de la homeostasis epitelial. Las células epiteliales sufren estrés mecánico durante su migración y división, ya que estas generan tensión y presión entre las células. Dicho estrés puede tener origen externo, por las células vecinas o la matriz extracelular, o interno, por acción del citoesqueleto. Los procesos de homeostasis epitelial en los que participa PIEZO1 son la extrusión celular y la división celular. La extrusión es un evento en el cual algunas células epiteliales son eliminadas para evitar la formación de cúmulos por sobrepoblación, mientras que la división celular aumenta su número, ocasionando un efecto contrario. El fino equilibrio entre ambos eventos biológicos tiene importancia vital, literalmente, puesto que de ello depende el crecimiento, desarrollo y mantenimiento saludable del tejido. Se ha propuesto que la proteína PIEZO1 regula la extrusión y la división, no solo mediante su actividad en la membrana plasmática, sino también en membranas celulares internas como la de la envoltura nuclear y el retículo endoplasmático.

Otro proceso biológico importante en el que participa la proteína PIEZO1 es el desarrollo de células madre nerviosas, así como el crecimiento del axón neuronal, hallazgos realizados al estudiar células del anfibio Xenopus laevis. El desarrollo y crecimiento neuronal depende de la rigidez del medio extracelular, y la presencia de PIEZO1 en las células neuronales hace posible que estas puedan percibir dicha rigidez.

Adicionalmente, se ha determinado mediante estudios in vitro que el silenciamiento o mal funcionamiento del gen PIEZO1 en las células de los riñones, afecta la capacidad de producir orina concentrada en condiciones de deshidratación. Los motivos por los cuales ocurre este fenómeno aun se desconocen.

Importancia funcional de la proteína PIEZO2

El canal iónico PIEZO2 cumple funciones importantes en procesos sensoriales, tales como la detección de estímulos táctiles leves, la propiocepción y la respiración. 

PIEZO2 es fundamental en el proceso de somatosensación, que otorga al individuo información sobre el ambiente externo y su estado interno (más información en este vídeo), siempre mediante la mecanotransducción. Las neuronas sensoriales periféricas son las encargadas de la percepción de las fuerzas externas aplicadas sobre la piel, así como aquellas que afectan a los órganos internos. La proteína PIEZO2 es importante para la percepción táctil inocua, como se ha podido evidenciar en humanos y otros modelos biológicos. Estudios realizados en peces cebra, por ejemplo, han mostrado que si el gen PIEZO2 es disfuncional en los receptores táctiles durante el desarrollo, el embrión llega a presentar una sensibilidad disminuida al tacto. Por otro lado, se ha visto en ratones que el gen PIEZO2 es indispensable para la percepción de "toques ligeros", ya que se expresa en neuronas sensoriales y células epiteliales especializadas, llamadas células de Merkel. En el caso de humanos, se ha visto que ciertas mutaciones que ocasionan la pérdida de función de este gen, alteran la capacidad propioceptiva del individuo. Es por esto que se ha establecido que la proteína PIEZO2 es uno de los elementos más importantes en la percepción táctil y la propiocepción.

Estudios realizados en ratones y casos clínicos humanos han permitido dilucidar el papel fundamental que cumple PIEZO2 en el proceso de respiración. Se ha visto que la presencia de esta proteína en las neuronas sensoriales que inervan los pulmones, es crucial para que el cuerpo perciba el estiramiento de estos órganos. Ratones con mutaciones en el gen PIEZO2 han mostrado patrones anómalos de respiración y, en el caso de humanos, niños con mutaciones que inactivan este gen, presentan una respiración débil o superficial. Estos hallazgos enfatizan la importancia de la mecanotransducción en la respiración y sugieren que las alteraciones del gen PIEZO2 podrían relacionarse directamente con desórdenes respiratorios como el síndrome de muerte súbita infantil o el asma. Así como ocurre en los pulmones, PIEZO2 podría cumplir potencialmente roles similares en otros órganos internos como los intestinos, estómago, aorta, etc.

En cuanto al sentido de la audición, uno de los grandes enigmas ha sido la identificación del canal iónico responsable del inicio de la mecanotransducción en respuesta a las vibraciones producidas por el sonido. A pesar de que se ha evidenciado la presencia de PIEZO2 en las células vellosas de la coclea y el aparato vestibular (oído interno), este canal iónico no formaría parte del principal sistema de percepción auditiva. Experimentos en ratones con el gen PIEZO2 mutado evidencian que los problemas auditivos producidos son leves. No obstante, investigaciones han permitido asociar a este gen con la regulación del desarrollo de las células vellosas del oído interno.

En los vertebrados, uno de los sistemas más expuestos a estrés mecánico (carga mecánica) es el sistema esquelético y, en ese sentido, se esperaría que sus células puedan responder mediante proteínas como las Piezos. De hecho, estudios en condrocitos de cerdos han demostrado que ambas proteínas, PIEZO1 y PIEZO2, contribuyen a la señalización interna mediada por calcio (Ca+), cuando dichas células son sometidas a compresión. En el caso de condrocitos de ratones se ha visto que solo la proteína PIEZO1, junto a la proteína TRPV4, participan en la activación mecánica de señales eléctricas.

Tabla de resumen de las principales características funcionales de las proteínas PIEZO1 y PIEZO2, basada en la información del artículo de Murthy et al. (2017).

Para finalizar...

Como se puede ver, el impacto de los trabajos de investigación de Ardem Patapoutian y su equipo, en el campo de la mecanotransducción y somatosensación, son de un valor incalculable. A partir de estos descubrimientos, se logró por fin entender el funcionamiento del sentido del tacto a nivel molecular, lo que tuvo enormes implicaciones en las ciencias básicas y la medicina humana y animal. 

La somatosensación en general y la propiocepción en particular son capacidades que compartimos con muchos otros organismos, y resultan cruciales para nuestra adaptación y supervivencia en un ambiente donde abundan los estímulos mecánicos, tanto inocuos, benéficos como nocivos. A pesar de estos grandes avances, aun falta mucho por descubrir sobre las funciones de estos canales iónicos activados por fuerza mecánica, PIEZO1 y PIEZO2, pero todo lo logrado hasta el momento resalta su importancia como mecanotransductores en diversas estructuras orgánicas y procesos fisiológicos.

Seguiremos siendo testigos de nuevos y fabulosos avances en este campo de investigación.

VÍDEO:

El siguiente vídeo es una animación que representa el mecanismo de funcionamiento de la proteína PIEZO1. Este ha sido elaborado con base en el modelo y la información brindados por Liang & Howard, en su artículo publicado el 2018.

Referencias:

1. The Nobel Prize (2021). Enlace: www.nobelprize.org/prizes/medicine/2021/
2. S. Murthy et al. (2017). "Piezos thrive under pressure: mechanically activated ion channels in health and disease". Enlace: www.nature.com/articles/nrm.2017.92?proof=t
3. S. Cahalan et al. (2015). "Piezo1 links mechanical forces to red blood cell volume". Enlace: www.elifesciences.org/articles/07370
4. B. Coste et al. (2010). "Piezo1 and Piezo2 are essential components of distinct mechanically-activated cation channels". Enlace: www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3062430/pdf/nihms-257858.pdf