El auge del ARN terapéutico

La mayoría de los recién nacidos llegan a casa desde el hospital y empiezan a alcanzar sus hitos de desarrollo, para alegría de sus padres. A los tres meses ya sostienen la cabeza. Se sentarán a los seis. Y caminarán alrededor de su primer cumpleaños. Pero aproximadamente 1 de cada 10.000 no lo hará. Se sentirán flácidos en los brazos de sus cuidadores, no levantarán la cabeza y nunca aprenderán a sentarse solos. Cuando sus alarmados padres busquen ayuda médica, los bebés serán diagnosticados de atrofia muscular espinal o AME, una enfermedad neuromuscular en la que ciertas neuronas motoras de la médula espinal se deterioran progresivamente. La enfermedad se desencadena por un mal funcionamiento genético que se reduce al gen llamado SMN2 (survival motor neuron 2), que hace que trozos de proteínas vitales se ensamblen de forma incorrecta, lo que provoca una debilidad muscular progresiva y parálisis.

Hasta hace cinco años, este diagnóstico no era ni mucho menos una sentencia de muerte. La AME se consideraba la causa genética más común de mortalidad infantil. Muchos bebés con AME no llegaban a celebrar su segundo cumpleaños. Algunos vivían más allá de su primera infancia, pero nunca se fortalecían lo suficiente como para correr o jugar con otros niños y finalmente sucumbían a la enfermedad. Sin embargo, en 2016 este pronóstico tan grave cambió por primera vez en la historia, gracias a una nueva terapia aprobada por la FDA y desarrollada por Adrian Krainer, bioquímico del Laboratorio Cold Spring Harbor, en colaboración con Ionis Pharmaceuticals y Biogen.

Los investigadores creen que el ARN tiene un enorme potencial terapéutico sin explotar.

Llamado Spinraza, el fármaco solucionó el problema de una forma única. Administrado a través de una punción lumbar, Spinraza actúa justo cuando el código genético desordenado de SMN2 se transcribe en instrucciones defectuosas para la fabricación de proteínas, y corrige esas instrucciones a nivel molecular. Utilizando una terminología más científica, Spinraza interviene poco después de que el ADN se transcriba en ARN, una molécula de trabajo responsable de muchos procesos celulares, que en este caso actúa como mensajero que lleva las instrucciones del ADN. «Spinraza está diseñado para unirse al ARN mensajero, lo que permite a la célula manejarlo adecuadamente y, en última instancia, corrige el problema», explica Krainer, que este año ha ganado el prestigioso Premio Wolf de Medicina por su trabajo para explicar los mecanismos moleculares que subyacen a este proceso del ARN y que han dado lugar a esta nueva terapia.

El año pasado, el ARN mensajero, o ARNm, ocupó las portadas de todos los periódicos cuando Pfizer y Moderna utilizaron esta molécula para crear las vacunas COVID-19. Con este nuevo método, nunca antes utilizado para vacunar a los seres humanos fuera de los ensayos clínicos, los fabricantes de medicamentos emplean el ARNm para dar instrucciones específicas a nuestras células. Las instrucciones indican a las células que generen la proteína de espiga que el coronavirus utiliza para infectarnos. Una vez producida dentro del cuerpo, la proteína de la espiga atrae la ira del sistema inmunitario, que la recuerda como un invasor extraño y se prepara para luchar contra el verdadero coronavirus. Al cabo de un tiempo, las células también destruyen y eliminan cualquier rastro del ARNm de la vacuna. La tecnología del ARNm parecía novedosa, pero llevaba años en marcha, aunque fuera de los focos.

Durante décadas, el ADN ha sido el objetivo principal de los científicos, mientras que el ARN se consideraba simplemente un ayudante, un portador pasivo de instrucciones genéticas, un simple intermediario entre el ADN y las proteínas. «Cuando se trataba del ARN, ni siquiera los científicos tenían claro qué era tan importante», dice Lynne Maquat, que dirige el Centro de Biología del ARN de la Universidad de Rochester y que compartió el Premio Wolf con Krainer. «La gente pensaba que sólo había tres tipos de ARN, que ya sabíamos lo que hacían, y punto».

Pero esa visión ha cambiado. Los científicos no sólo descubrieron muchos tipos diferentes de ARN, sino que también se dieron cuenta de que una enorme parte de nuestro ADN se dedica a fabricarlos. «Ahora sabemos que, en el mejor de los casos, sólo el 3% de nuestro genoma codifica proteínas», afirma Joan Steitz, profesora de biofísica molecular y bioquímica de la Universidad de Yale y otra de las galardonadas con el Premio Wolf, que lleva estudiando el ARN desde la década de 1960. «Y el otro 97 por ciento se dedica a fabricar todos estos tipos diferentes de ARN. Sabemos lo que hacen los más abundantes e importantes, pero hay miles de ellos que aún no conocemos del todo». La construcción de este conocimiento es clave para el tratamiento de muchos trastornos genéticos, que pueden tener su origen en el ADN defectuoso, pero que pueden corregirse arreglando el ARN o los procesos en los que este ARN está implicado.

Los investigadores creen que el ARN tiene un enorme potencial terapéutico sin explotar. Tradicionalmente, cuando se desarrollan nuevos medicamentos, las empresas farmacéuticas se dirigen a las proteínas que funcionan mal y que causan la enfermedad. Pero dirigirse al ARN permite corregir el problema un paso antes, antes de que se produzcan las proteínas, dice Justin Kinney, biólogo cuantitativo del Laboratorio Cold Spring Harbor que colabora con Krainer para entender el funcionamiento interno de esta molécula. «El ARN es un gran objetivo para el desarrollo de fármacos», dice Kinney, porque es muy versátil. Su objetivo es construir una hoja de ruta para una nueva generación de terapias basadas en el ARN.

No es demasiado sorprendente que la molécula de ADN haya eclipsado a su prima menos glamurosa durante más de medio siglo. Al fin y al cabo, la carismática cadena de doble hélice del ADN, estrechamente entretejida y encajada en el núcleo celular, contiene el código de la vida. Como una abeja reina, la molécula de ADN dirige su reino celular, dando órdenes para una miríada de funciones celulares. Los científicos que pretendían desvelar la raíz de las enfermedades genéticas se centraron en el ADN.

Pero ninguna reina puede dirigir su reino sola. Una reina necesita sus mensajeros, doncellas, guardias y agregados. Y ahí es donde entran los ARN. Al igual que los emisarios de su reina, las moléculas de ARN llevan a cabo las instrucciones para el ensamblaje de proteínas, catalizan reacciones y realizan otras tareas, manteniendo su dominio celular en buen estado de salud.

Nuestra comprensión es tan limitada que los científicos a veces no saben por qué un medicamento funciona.

Si te imaginaras todas y cada una de tus células como un reino bullicioso, verías un gazillón de ARNs pululando por ahí en todo momento. Verías que el ADN se transcribe -sus instrucciones genéticas se copian en ARN mensajeros-. Estos ARNm pasarían estas instrucciones a los ribosomas, las máquinas celulares de fabricación de proteínas y péptidos, que las ensamblarían en consecuencia. Para mantener la cinta transportadora en marcha, los ARN de transferencia entregarían aminoácidos a esta línea de ensamblaje de proteínas. Y los ARN ribosomales especializados ayudarían a coser estos aminoácidos en moléculas de proteínas. Mientras tanto, se van forjando más ARNm y, al mismo tiempo que se producen, también se empalman y cortan por razones que los científicos desconocen. Éste es sólo uno de los misterios sobre los que la investigación de Kinney podría arrojar algo de luz.

El acto de transcribir el ADN en ARNm comienza cuando una enzima llamada ARN polimerasa se une al ADN y comienza a copiar la secuencia de ADN en una secuencia de ARN. Pero lo que sale no es un «borrador» muy utilizable. Para empezar, el ARNm resultante es unas 10 veces más largo de lo que debería, por lo que hay que recortarlo o empalmarlo, un proceso en el que se conservan ciertas partes y se desechan otras. Este empalme lo realizan unas máquinas moleculares llamadas spliceosomas y consiste en eliminar las secuencias de ácido nucleico innecesarias llamadas intrones (de los fragmentos «intermedios») y encadenar las piezas restantes, llamadas exones.

«Se puede pensar en la ARN polimerasa como un reportero de un periódico y en los espliceosomas como un editor muy, muy estricto que corta 9 de cada 10 párrafos que escribe el reportero», explica Kinney. «Y es confuso por qué contratarías a un editor tan estricto para empezar: ¿no puede tu reportero simplemente escribir menos? Así que el empalme parece un proceso muy derrochador». Todavía se debate por qué ha evolucionado en primer lugar».

La hipótesis predominante es que permite crear una mayor variedad de proteínas, dice Steitz, cuya investigación ha dilucidado el mecanismo de empalme, y el cuerpo humano necesita todas esas proteínas para funcionar. Entre otras cosas, descubrió que el propio proceso de empalme está gobernado por otro actor del ARN: las diminutas partículas de ARN-proteína llamadas snRNP, o snurps. Encuentran y eliminan estos intrones de las moléculas de ARNm.

En las personas con atrofia muscular espinal, este proceso tiene un fallo. Cuando se eliminan los intrones durante el empalme, también se elimina un exón del ARN SMN2 resultante: el exón 7. Y sin ese exón, las proteínas no se pueden procesar. Y sin ese exón, las proteínas ensambladas con las instrucciones del ARN resultan defectuosas, lo que da lugar a la atrofia muscular espinal.

Krainer compara el proceso con un libro de cocina con páginas desordenadas. «Nuestro genoma es como una biblioteca en la que miles de libros contienen recetas para la fabricación de proteínas, con cada capítulo en el que se detallan instrucciones precisas y en el orden correcto», dice. Pero entre los capítulos hay páginas extra (los intrones) que no deberían estar ahí. El empalme elimina esas páginas, lo que facilita la lectura. «Si el empalme es correcto, acabas teniendo unas instrucciones perfectas. Pero en el caso de SMN2, hay un defecto en el capítulo 7, por lo que el empalme elimina todo el capítulo. Ahora falta una parte de las instrucciones y no se puede seguir la receta».

Y ahí es donde entra Spinraza, ejerciendo su magia a nivel de empalme. La terapéutica es esencialmente un trozo corto de una cadena parecida al ADN, que se une al ARN SMN2 antes de que ese ARN se empalme. Al unirse, bloquea otras proteínas para que no interfieran en el empalme, lo que permite incluir el exón 7. El ARNm resultante contiene las instrucciones correctas para el ensamblaje de la proteína. Spinraza, el primer fármaco aprobado de este tipo, está allanando el camino para otras terapias basadas en el ARN, y por buenas razones.

Las terapias basadas en el ARN pueden tener una gran ventaja sobre las tradicionales basadas en las proteínas. En la actualidad, los desarrolladores de fármacos se dirigen a las proteínas que funcionan mal, con el objetivo de corregir sus fallos. Pero ese es un proceso muy intrincado y propenso al fracaso, en el que deben cumplirse tres cosas, dice Kinney. En primer lugar, el fármaco debe ser capaz de unirse a un punto, o un sitio, en la molécula de la proteína. En segundo lugar, debe corregir el comportamiento de la proteína -por ejemplo, apagar el sitio activo de la proteína y desactivar su capacidad de causar daño-. Y, por último, no debe interferir con ninguna otra proteína del organismo, para evitar que se atasquen otras funciones vitales.

«Es un problema muy difícil de resolver», dice Kinney, porque «la mayoría de las proteínas no tienen muchos objetivos potenciales de unión». El ARN, por el contrario, está cubierto de sitios de unión porque está diseñado para que otras moléculas se enganchen a él. «Todo el ARN es una diana para los fármacos», afirma Kinney. «Lo único que nos limita aquí es nuestra comprensión de cómo el ARN está controlado por varios programas reguladores dentro de la célula».

«Nuestro genoma es como una biblioteca en la que miles de libros contienen recetas para la fabricación de proteínas, y cada capítulo detalla instrucciones precisas».

Nuestra comprensión es, de hecho, tan limitada que los científicos a veces no saben por qué funciona un medicamento. Kinney cita un ejemplo. En 2020, la FDA aprobó otro fármaco para la atrofia muscular espinal, Evrysdi. Comparado con Spinraza, es una molécula pequeña, sólo del tamaño de un par de bases de ADN, y más fácil de fabricar y administrar: se puede tomar por vía oral. «Se desarrolló esencialmente por ensayo y error», dice Kinney. «Los científicos tomaron unos cientos de miles de moléculas al azar y probaron cada una en células para ver cuáles aumentaban el empalme del exón 7 de SMN2. La molécula candidata inicial se sometió entonces a años de pruebas y ajustes». Aunque el fármaco final, Evrysdi, es seguro y eficaz, los científicos siguen debatiendo cómo funciona a nivel molecular, en particular, cómo selecciona el exón 7 de SMN2 entre la gran cantidad de otros exones.

El empalme es uno de los procesos más complejos que ocurren en las células humanas, y el espliceosoma es la pieza más compleja de la maquinaria celular identificada hasta ahora. Además de los snRNP, el espliceosoma incluye más de cien proteínas diferentes. Increíblemente, todas estas piezas moleculares entrelazadas deben ensamblarse de nuevo en cada intrón de ARN. Décadas de investigación han desvelado cómo funciona esta compleja máquina una vez que se ensambla, pero se sabe menos sobre cómo el espliceosoma reconoce los trozos específicos de ARN que debe cortar. «Entender esto requiere nuevos enfoques cuantitativos», explica Kinney.

En eso está trabajando Kinney. Mediante experimentos de alta precisión, modelos matemáticos e inteligencia artificial, Kinney pretende aclarar estos misterios a nivel de biofísica molecular: cómo el espliceosoma lee la secuencia de ARN y toma sus decisiones de corte, y cómo fármacos como Evrysdi se centran en sus objetivos específicos. El empalme contribuye a muchas enfermedades, como la fibrosis quística y el cáncer, e incluso aquellas a las que no contribuye, dice Kinney, «pueden tratarse modulando el proceso de empalme». Una vez que los científicos diluciden los engranajes moleculares que intervienen en el empalme, podrán determinar dónde se desvían y corregirlos. «Y eso», dice Kinney, «abrirá muchas oportunidades para fabricar nuevos y mejores fármacos».