54- EL PAPEL DE LA FRATAXINA EN LA ATAXIA DE FRIEDREICH. Por el Dr. Pierre Rustin (investigador del INSERM). Diario "Espoir", mes de septiembre del 2000. Copiado de la ACHAF. Traducción de Antonio-J. Barranquero y José María Moraleda.
La frataxina, una proteína mitocondrial:
Numerosas experiencias han permitido establecer la localización de la frataxina en las mitocondrias, localización que está a partir de ahora admitida. Por el contrario, el análisis de la composición y de la estructura de la frataxina no ha permitido sacar una conclusión en cuanto a su papel exacto en las mitocondrias. Además, las proteínas que intervienen en la maduración de la frataxina interactúan con esta última no permitiendo la identificación de agentes que impliquen a la frataxina en una vía metabólica más particular en las mitocondrias.
La frataxina y el hierro en las mitocondrias:
Han sido avanzadas varias hipótesis en cuanto al papel de la frataxina, sin embargo los estudios llevados en un microorganismo, la levadura, que posee una proteína equivalente a la frataxina, han permitido deducir que la frataxina estaba implicada de una manera o de otra, en el transporte, el almacén o la manipulación de los átomos de hierro en las mitocondrias. Además, han podido ser puestos en evidencia los depósitos de hierro en los cardiomiocitos de pacientes afectados de ataxia de Friedreich.
Las conclusiones obtenidas de la levadura han sido generalizadas rápidamente a organismos superiores y a la patología humana. Sin embargo, es preciso entender que existen diferencias notables en la utilización del hierro entre diferentes organismos. Los mecanismos de regulación de la utilización del hierro han cambiado en el curso de la evolución con la aparición de nuevos genes o nuevas funciones. Así, la ferritina, que almacena el hierro en el citosol de las células de mamíferos, está ausente en las levaduras. Del mismo modo, el sistema muy complejo de regulación de la importación de hierro en las células varía mucho de un organismo a otro, igualmente de un órgano a otro. Todo esto demuestra que la organización precisa y la regulación de la utilización del hierro varían mucho de unas células a otras, de un órgano a otro y de un organismo a otro. Por lo tanto, no es razonable generalizar demasiado rápido los resultados obtenidos en la levadura a la situación encontrada en el hombre.
El trasporte y la utilización del hierro en las mitocondrias:
Como se ha indicado antes, la frataxina está implicada según todas las apariencias en el metabolismo del hierro y, posiblemente, en su transporte en las mitocondrias. De hecho, del importantísimo papel de las mitocondrias en numerosas funciones celulares, el transporte de diferentes sustancias en las mitocondrias está estrictamente regulado. Según las sustancias importadas, los mecanismos de regulación son muy diferentes y, además, varían de un órgano a otro. Las mitocondrias son especialmente impermeables a cationes metálicos, como el hierro. El transporte de cationes metálicos requiere energía, que está realizada por la actividad de la cadena respiratoria mitocondrial. La importación férrica no ha sido estudiada con detalle más que en mitocondrias de hígado de rata, y estos estudios sugieren que existen diferentes transportadores para el hierro. Muy pocas cosas se conocen de estos transportadores, y la idea de que la frataxina jugaba un papel en la regulación del transporte férrico en las mitocondrias ha estimulado recientemente estudios sobre este punto. En relación con la utilización del hierro en las mitocondrias, estos estudios han permitido descubrir una nueva función de las mitocondrias en la célula. Se sabía desde hace mucho tiempo que existían en todas las células diferentes proteínas que utilizan para funcionar hierro y azufre, reunidos en un centro llamado hierro-azufre, de ahí el nombre de proteínas en centro hierro-azufre. Estas proteínas juegan en la célula varios papeles. Existen numerosos en las mitocondrias y particularmente en la cadena respiratoria mitocondrial. Acaba de ser demostrado que los centros hierro-azufre están congregados en las mitocondrias para ser utilizados enseguida bien en las mitocondrias o bien en el citosol, en el exterior de las mitocondrias. Como se verá más tarde, estas proteínas hierro-azufre son defectuosas en ciertas células de enfermos afectados de ataxia de Friedreich.
La frataxina y el transporte del hierro en las mitocondrias:
La idea de que la frataxina pudiera jugar un papel directo en el control del transporte férrico en las mitocondrias viene de la observación de las levaduras mutadas en el código genético que codifica el equivalente de la frataxina, que acumula hierro, probablemente a costa del hierro presente normalmente en el citosol de la célula. En la levadura, donde no existe sistema de almacén del hierro en el citosol, este catión metálico podría ser almacenado en las mitocondrias para ser utilizado enseguida por la célula. Por ello, para explicar la acumulación férrica anormal, ha sido propuesto que la ausencia de frataxina conduce a un bloqueo de la exportación del hierro de la mitocondria hacia el citosol. En el hombre, como las mitocondrias no parecen ser el lugar de almacén férrico, pues este papel corresponde a la ferritina, ha sido propuesto que la frataxina pudiera controlar la importación del hierro en las mitocondrias. Cualquiera que sea la hipótesis deducida, la ausencia de frataxina conduce a una acumulación férrica anormal en las mitocondrias a costa del hierro normalmente presente en el citosol. En el hombre, la falta de hierro en el citosol arrastra en cascada toda una serie de modificaciones en el estado y la actividad de sistemas que controlan la importación férrica, esta vez a nivel celular. Existe en efecto en el citosol un sistema particular que, en todo momento, supervisa si la cantidad de hierro es correcta. Se trata de una proteína, la aconitasa del citosol, que puede existir bajo dos formas, o bajo la forma aconitasa o bajo la forma IRP ("pour Iron Responsive Proteine", en inglés, o Proteína Reactiva a la cantidad de hierro). Cuando hay mucho hierro, la aconitasa está ampliamente bajo la forma aconitasa. Cuando hay poco hierro se encuentra bajo la forma IRP. Bajo esta forma, se fija en los IRE ("pour Iron Responsive Element", en inglés, o Elemento Reactivo al hierro) presentes en diferentes mensajeros ARN implicados en la utilización del hierro en las células. Según el lugar de los IRE en los mensajeros ARN, el IRP va a aumentar la estabilidad de los mensajeros ARN protegiendo enzimas que deterioran los ARN (caso de ARN codificado para el transporte del hierro), o a reducir su utilización (caso de proteínas almacenantes de hierro). Así, cuando el hierro falta en el citosol, la aconitasa está bajo forma IRP, las células tienen tendencia a captar cada vez más hierro, y éste en ausencia de frataxina podría acumularse en las mitocondrias en cantidad aún mayor.
La idea de que la frataxina, de una manera o de otra, controla el transporte férrico en las mitocondrias viene esencialmente de la observación de la acumulación férrica cuando hay ausencia de frataxina o una cantidad disminuida. No obstante, los resultados de observaciones más recientes pudieran conducir a poner en tela de juicio esta idea. Primeramente, es posible acumular cantidades mayores de hierro en las levaduras modificando otros genes, sin observar las mismas consecuencias en las mitocondrias. Al contrario, ciertas levaduras en las cuales se ha desactivado el gen de la frataxina no acumulan hierro, pero presentan mitocondrias deficientes. En el mismo orden de ideas, los ratones modelo para la ataxia de Friedreich que no poseen nada de frataxina mueren antes del nacimiento sin que se observe una acumulación férrica anormal.
Así, parece ser que: por una parte el hierro se puede acumular en las mitocondrias sin suponer un déficit de proteínas hierro-azufre (lo que se observa cuando la frataxina está ausente), por otra parte que la ausencia de frataxina no supone siempre una acumulación férrica. Por tanto, parece no existir una relación simple entre la ausencia de frataxina y la acumulación férrica en las mitocondrias. Esto sugiere que la frataxina podría no estar implicada de manera directa en el transporte del hierro, y la acumulación férrica fuese un fenómeno secundario. La pérdida de actividad de las proteínas hierro-azufre podría ser resultado más del estado en el cual el hierro se encuentra en las mitocondrias que de la cantidad de hierro presente, y la frataxina podría intervenir en el almacén y/o la utilización del hierro en las mitocondrias para permitir la síntesis de proteínas hierro-azufre.
La frataxina, el almacenaje y la utilización del hierro en las mitocondrias:
El hierro, bien libre, o bien fijado sobre pequeñas células (quelantes férricos), es extremadamente tóxico. En efecto, reacciona directamente con el oxígeno para producir radicales libres que son muy tóxicos para la célula. Por ello, una disminución en la cantidad de una proteína implicada en el almacenamiento férrico puede tener consecuencias nocivas para la célula, idénticas a las observadas en la ataxia de Friedreich. De ahí la idea de que la frataxina podría realizar un papel similar. Por tanto, las observaciones iniciales de que la frataxina carece de emplazamiento para fijar el hierro y no reacciona a la presencia de hierro, nos harían rechazar esta hipótesis. Sin embrago, recientemente, se ha demostrado que la frataxina, por el contrario, podría reaccionar a la presencia del hierro formando complejos esféricos (se unen hasta 60 frataxinas) en los cuales va a acumularse el hierro. Si se confirma esta observación, estos complejos de frataxina podrían actuar como lugares de almacenamiento férrico, teniendo como consecuencia el hacer menos tóxico el hierro presente. La ausencia de frataxina podría entrañar entonces una pérdida de actividad de las proteínas hierro-azufre sin que se observara un incremento en la acumulación férrica.
En resumen, los posibles papeles de la frataxina:
La pérdida de las proteínas hierro-azufre es muy específica y característica de la afección bioquímica observada en la ataxia de Friedreich. Se aprecia particularmente en los cardiomiocitos en las primeras fases de la enfermedad. Hay muchas hipótesis que pueden justificar esta afección específica a las proteínas hierro-azufre.
*- En primer lugar, modulando el transporte de hierro en las mitocondrias y su cantidad, la frataxina podría controlar las reacciones tóxicas dependientes de la presencia de hierro y, en particular, la producción de radicales libres. Siendo los centros hierro-azufre de las proteínas fácilmente desestabilizados por los radicales libres, se observará una pérdida de actividad específica de las proteínas hierro-azufre. A pesar de ello, como no existe una relación directa entre la cantidad de hierro presente y las consecuencias de la disminución de frataxina, esta primera hipótesis difícilmente puede sostenerse.
*- En segundo lugar, si la frataxina tiene un papel en el almacenamiento férrico, la disminución de frataxina podría impedir la producción de radicales libres y, con ello, evitar la destrucción de las proteínas hierro-azufre.
*- En tercer lugar, la frataxina podría tener un papel en la síntesis de las proteínas hierro-azufre permitiendo una correcta utilización del hierro en las mitocondrias.
Esta tercera hipótesis es bastante atractiva, pues explica la mayor parte de los resultados conocidos actualmente. Así, el hierro importado en las mitocondrias no sería realmente almacenado, sino utilizado para sintetizar las proteínas que necesitan hierro para su funcionamiento, como las proteínas hierro-azufre.
Las consecuencias de la falta de frataxina para las células:
La frataxina se encuentra en numerosos organismos, desde las bacterias hasta los mamíferos, sin grandes diferencias en su estructura. Esto ha sugerido que realiza en todos ellos un papel similar. No obstante, la inactivación del gen de la frataxina no conduce siempre a las mismas consecuencias. Así en la bacteria Escherichia Coli, la ausencia de la proteína equivalente a la frataxina no entraña acumulación férrica ni una sensibilidad específica a los radicales libres. En las levaduras mutadas, por el contrario, se observa acumulación férrica y pérdida de actividad en enzimas mitocondriales, en particular en las proteínas hierro-azufre, y una gran sensibilidad a los radicales libres. Finalmente, en el hombre, la disminución de frataxina implica inicialmente una pérdida muy específica de la actividad de las proteínas hierro-azufre. Por consiguiente, siguiendo el desarrollo de la enfermedad, podrían intervenir perturbaciones adicionales con otras afecciones secundarias a la acumulación férrica en las mitocondrias.
Curiosamente, la pérdida específica de actividad de las proteínas hierro-azufre observada en los cardiomiocitos y el sistema nervioso no aparece en los músculos ni en las células sanguíneas ni de la piel de los enfermos, sin que se conozca muy bien el motivo de esta diferencia. Lo que si se sabe, al haber sido estudiadas estas últimas células, es que esta observación de una afección bioquímica restringida al corazón (y al sistema nervioso) explica por qué el inicio de la enfermedad permanece ignorado durante tanto tiempo.
Ahora que se conoce el origen mitocondrial y que se conocen más o menos los mecanismos implicados, es ya posible buscar estrategias para detener la progresión de la enfermedad.
Combatir la ataxia de Friedreich:
Cualquiera que sea el mecanismo concreto que conduzca a la toxicidad del hierro en la enfermedad, a partir de ahora queda establecido que el hierro tiene un papel principal en el desarrollo de la misma. Por tanto, la estrategia más simple podría ser aquella que condujera a disminuir el hierro en el organismo. Esto podría hacerse utilizando quelantes férricos, como la desferrioxamina o el desferal. No obstante, una estrategia de este tipo supone muchos problemas. En primer lugar, si el hierro se acumula en las mitocondrias, parece que falta en el citosol. Se desconocen en la actualidad las consecuencias de esta falta de hierro. El uso de un quelante podría acentuar más este problema de falta en el citosol, además de no ser seguro el que los quelantes sean capaces de reducir el hierro presente en las mitocondrias. Por otra parte, in vitro, se ha demostrado que los quelantes pueden proteger las membranas de la toxicidad del hierro, pero conduciendo a su vez a acentuar la destrucción de las proteínas solubles por el hierro. La aconitasa, ya deficitaria en las células enfermas, forma parte de estas proteínas solubles. También la idea de utilizar quelantes, tratamiento pesado en efectos secundarios que no habría de descuidarse, ha sido abandonada muy pronto.
Del hecho de un supuesto aumento de los radicales libres, unido al de la acumulación férrica, se ha considerado en Francia otra estrategia basada en el uso de antioxidantes. En este caso, el tratamiento no apunta directamente al hierro, sino que va destinado a proteger a las células de los efectos tóxicos del hierro. Es interesante resaltar aquí que un déficit en vitamina E (también llamado alfa-tocopherol), una sustancia presente en las mitocondrias humanas, produce una enfermedad similar a la de Friedreich. Esta similitud sugiere que interviene una producción excesiva de radicales libres en los dos casos.
Hay muchas sustancias activas como antioxidantes. Los ensayos en laboratorio han mostrado que algunas de ellas pueden ser peligrosas. De hecho, el hierro no es tóxico si no es limitado, ya que entonces puede reaccionar con el oxígeno y producir radicales libres. En el estado de oxidado, este tipo de reacción no interviene. Algunas sustancias antioxidantes son capaces de limitar el hierro, pero aumentar su toxicidad. Conviene, pues, elegir sustancias antioxidantes que no limiten el hierro.
Entre éstas últimas, la Ibedenona, una sustancia similar a la coenzima Q10, presente de forma natural en el hombre y que asimila bien el organismo, ha sido seleccionada para realizar ensayos clínicos tras numerosas pruebas de laboratorio. Los resultados iniciales, obtenidos en tres jóvenes pacientes, han sido prometedores, ya que después de algunas semanas de tratamiento se ha observado una reducción significativa de los síntomas cardiacos sin efectos secundarios apreciables. Estas observaciones parecen confirmarse en un mayor número de enfermos, pues en 52 pacientes tratados en ensayos clínicos, la hipertrofia miocárdica se reduce significativamente, acompañada también en bastantes pacientes de una mejora de voz y de movimientos. Aún hace falta más perspectiva para decidir de forma definitiva la utilidad de este medicamento, pero al menos ya existe la posibilidad de intervenir en el desarrollo de la enfermedad. En el futuro, la utilización de moléculas similares a la Ibedenona podría revelarse más eficaz para un mayor número de pacientes. También, otras estrategias podrían conducir a un mejor conocimiento de la función de la frataxina. En un futuro más lejano, el desarrollo de la terapia genética podría atacar al origen mismo de la enfermedad, al gen defectuoso.