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Microtúbulos y salud global

            Tubulina es una proteína constitutiva de gran abundancia en las células y, mediante su ensamblaje en microtúbulos, es responsable de funciones celulares cruciales. Estos filamentos gobiernan y permiten la segregación cromosómica durante la división celular, el andamiaje interfásico, el transporte intracelular de partículas y sustancias y la plasticidad neural a través de funciones estáticas o dinámicas, ya sea actuando como carreteras o ejerciendo fuerzas mecánicas. Ya que tubulina ejerce estas funciones esenciales en cada uno de los tipos de células eucarióticas se convirtió en una diana ideal para envenenar a los predadores en la naturaleza, de manera que muchos organismos han evolucionado para producir compuestos capaces de bloquear el interruptor de activación/desactivación de tubulina. Esto ha resultado en una plétora de productos que, uniéndose a distintos bolsillos de la proteína, pueden modular el ensamblaje en microtúbulos de tubulina. Algunos de estos moduladores se incluyen en la lista WHO de medicinas esenciales, como el mebendazol, paclitaxel, y los derivativos de Vinca, que han salvado millones de vidas tanto en el primer mundo como en los países en desarrollo.

            Entre los retos globales de salud hay tres en los que la modulación de tubulina puede ofrecer una aproximación productiva al desarrollo de fármacos: A) Enfermedades neurodegenerativas (estabilizar químicamente los microtúbulos para el tratamiento de taupatías), B) Cáncer (nuevos moduladores microtubulares libres del efecto colateral de la neurotoxicidad periférica, que frenen la división celular y/o produzcan el colapso vascular en tumores) y C) Infecciones víricas (los microtúbulos son transportadores esenciales de los virus a las factorías celulares así como cruciales para la egresión de los mismos). Aunque, por naturaleza, los compuestos contra tubulina son tóxicos, es posible encontrar ventanas terapeúticas para estas aplicaciones explotando las diferencias en las escalas temporales de los procesos implicados, así como en las concentraciones de tubulina en las neuronas.

            En el pasado, hemos contribuido al desarrollo de herramientas bioquímicas, biofísicas y celulares, esenciales en la caracterización de cada modulador de tubulina. En la actualidad estamos explotando estas técnicas e implementando nuevas, así como emprendiendo aproximaciones novedosas, incorporándolas a nuestro arsenal de cara a comprender el mecanismo de acción de estos moduladores. Nuestras líneas de investigación presentes y futuras persiguen obtener conocimiento en:

            - Los mecanismos moleculares y celulares de la regulación del citoesqueleto de tubulina, de forma que podamos obtener mejores y más seguras formas de modularlo.

            - Los mecanismos moleculares y celulares de acción de agentes moduladores de microtúbulos para desvelar cómo y por qué ejercen sus efectos y cómo y por qué inducen efectos secundarios no deseados, de forma que podamos diseñar, sintetizar y testear mejores drogas.

            - La implicación de los microtúbulos y otras proteínas citoesqueléticas hiperutilizadas en la infección vírica, de manera que puedan ser diana farmacológica para tratar infecciones virales. Estas drogas serían antivirales de amplio espectro capaces de evitar los principales mecanismos de resistencia virales frente a la toxicidad de químicos (mutaciones genéticas)

            En la actualidad nuestra investigación se enfoca en los siguientes objetivos específicos:

            A) Desvelar el mecanismo molecular implicado en la neurotoxicidad periférica inducida por agentes estabilizantes de microtúbulos, lo que permitirá el diseño y síntesis de nuevas drogas con leves o ningún efecto secundario sobre el sistema nervioso. H2020-MSCA-ITN-2019 (2019-2022), PID2019-104545RB-I00 (2020-2023)

            B) Comprender el mecanismo implicado en la muerte celular en presencia de moduladores de tubulina, el cual es desconocido pero clave para el desarrollo de drogas más seguras contra rutas específicas. PID2019-104545RB-I00 (2020-2023)

            C) Explotar la sobreutilización de los microtúbulos por parte de un amplio rango de virus eucarióticos durante las infecciones virales para contribuir a la búsqueda de antivirales de amplio espectro. COV20/01007

Microtubule regulation

Figura. Figura: Modelo del extremo de los microtúbulos (MT). Estado unido a GTP (BeF3-, azul), estado de transición (AlFx, rojo), estado expandido (GMPCPP, GMPCP, GDP-Px, naranja), y estado unido a GDP(gris). A. Esquema de los cambios conformacionales inducidos por la hidrólisis de nucleótido en la estructura microtubular. La activación de la tubulina después de la unión de GTP (TA) induce la polimerización. Durante el ensamblaje (MTA), la formación de los contactos laterales favorece la conformación recta, la cual permite la hidrólisis de GTP. La actividad GTPasa lleva al MT a un estado de transición (MTT), en el cual el Pi está todavía en el sitio de unión del nucleótido. La expansión (naranja) podría ser un estado de transición intermedio entre los estados GDP·Pi y GDP necesario para facilitar la liberación del Pi (MTE) y que quedaría fijado en presencia de taxol. Los GDP-MT (MTM) despolimerizan al revertir la tubulina a la conformación curva inactiva en el estado unido a GDP B. Modelo de microtúbulo ilustrando la variación de las características estructurales durante el ciclo de hidrólisis del GTP. Este mosaico estructural contiene: (i) la punta unida a GTP (azul) formada por protofilamentos/hojas curvos que se unen para enderezarse gracias a la formación de contactos laterales. (ii) la estructura post-hidrolisis GDP·Pi  (roja) que mantiene fijada la estructura del microtúbulo (iii) la hipotética estructura expandida producida a costa de la energía del nucleótido (naranga) requerida para la liberación del Pi

 

Saez-Calvo G, Sharm A, Balaguer FA, Barasoain I, Rodríguez‐Salarichs J, Muñoz-Hernadez H, Berbis MA, Wendeborn S, Peñalva MA, Matesanz R, Canales A, Prota AE, Jimenez-Barbero J, Andreu JM, Lamberth C, Steinmetz M, Diaz JF  [2017]. Triazolopyrimidines stabilize microtubules by binding to the vinca inhibitor site of tubulin. Cell Chemical Biology, 24, 737-750. DOI: 10.1016/j.chembiol.2017.05.016

Prota AE, Bargsten K, Zurwerra D, Field JJ, Díaz, JF Altmann, KH and Steinmetz, MO  [2013]. Molecular Mechanism of Action of Microtubule-Stabilizing Anticancer Agents, Science. 339, (6119) 587-590

Matesanz R, Barasoain I, Yang CG, Wang L, Li X, de Inés C, Coderch C, Gago F, Jiménez-Barbero J, Andreu JM, Fang WS and Díaz JF  [2008]. Optimization of Taxane Binding to Microtubules: Binding Affinity Dissection and Incremental Construction of a High-Affinity Analog of Paclitaxel. Chem Biol 15, 573-585

Buey R, Calvo E, Barasoain I, Pineda O, Edler MC, Matesanz R, Cerezo G, Vanderwal, CD, Day BW, Sorensen EJ, Lopez JA, Andreu JM, Hamel E, Díaz F  [2007]. Cyclostreptin binds covalently to microtubule pores and lumenal taxoid binding sites. Nature Chemical Biology 3, 117-125 and cover

Buey R.M., Barasoain, I., Jackson, M., Meyer, A., Giannakakou, P. Paterson, I., Mooberry, S., Andreu, J.M. and Díaz J.F.  [2005]. Microtubule interactions with chemically diverse stabilizing agents: Thermodynamics of binding to the paclitaxel site predicts cytotoxicity. Chem. Biol. 12, 1269-1279

 

Fondos

-Bases moleculares de la regulación de microtúbulos y sus implicaciones en la neurotoxicidad producida por fármacos. FUNDACIÓN TATIANA 2020 NEUROCIENCIAS. 92.400 € (2020-2023) IPs: José Fernando Díaz, Juan Francisco Gímenez Abián

-Interrupción de los procesos virales de transporte mediados por microtúbulos. 45.000 € 202020E301 CSIC. (2020-2021) IP: José Fernando Díaz.

-Bases estructurales de la neurotoxicidad por antitumorales dirigidos contra tubulina: hacia mejores moduladores de microtubulos contra cancer y enfermedades neurodegenerativas 160.000 € Ministerio de Ciencia e Innovación PID2019-104545RB-I00 (2020-2023) IP: José Fernando Díaz.

-Analisis estructural de la interacción de compuestos antitumorales con tubulina y microtubulos. 37484.46 € Proyecto Intramural CSIC, 201920E111 IP: José Fernando Díaz

- Tuning Tubulin Dynamics and Interactions to Face Neurotoxicity: a Multidisciplinary Approach for Training and Research. TUBINTRAIN 3.409.972,92 € Unión Europea H2020-MSCA-ITN-201

 

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