Vav oncoproteins: from cytoskeletal regulation to complex physiological and pathological roles

Article published in September 2016

DOI: http://dx.doi.org/10.18567/sebbmdiv_ANC.2016.09.1

Xosé R. Bustelo

Centro de Investigación del Cáncer e Instituto de Biología Molecular y Celular del Cáncer de Salamanca (CIC-IBMCC). CSIC-Universidad de Salamanca
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Vav proteins catalyze the activation step of Rho/Rac GTPases. This enzyme activity requires the previous phosphorylation of Vav proteins on tyrosine residues, a property that incardinates them in tyrosine kinase-regulated signaling pathways. Vav proteins play key roles in a large variety of physiological processes and pathologies, including cancer.

 

GTPasas Rho/Rac tienen su origen evolutivo en organismos unicelulares, en los que favorece la reorganización del citoesqueleto y la adaptación metabólica a cambios salinos y nutricionales en el ambiente circundante. Desde ese momento, sin embargo, han ido adquiriendo funciones cada vez más complejas en metazoos animales y vegetales [1]. Este aumento en su plasticidad funcional conllevó un problema logístico importante, puesto que los organismos tuvieron que adaptar el ciclo de estimulación de estas GTPasas a condiciones de señalización muy diversas, tanto en lo que se refiere a tipo de célula, estímulo extracelular, receptores transductores de la señal o región subcelular donde dicha activación había de producirse. ¿Cómo se solucionó este problema? Pues por la vía más sencilla: la de "diseñar" múltiples enzimas que permitiesen catalizar en cada momento la estimulación rápida de estas GTPasas en nichos funcionales muy específicos. El resultado de esta solución evolutiva es un número amplio de moléculas activadoras en la mayoría de especies multicelulares que, por ejemplo, alcanzan un número aproximado de 80 en humanos [2].

Uno de los grupos de activadores de las GTPasas Rho/Rac mejor estudiados es la familia de oncoproteínas Vav [3]. Esta familia posee representantes únicos en metazoos invertebrados y tres miembros (Vav1, Vav2, Vav3) en vertebrados [3]. Al igual que el resto de estimuladores de estas GTPasas, la función canónica de estas proteínas es la de catalizar el paso de las GTPasas Rho/Rac desde el estado inactivo (unido a GDP) al activo (unido a GTP). Esto se realiza a través de un proceso de interacción con las GTPasas sustrato que favorece la liberación del GDP unido a éstas y su reemplazo por el GTP presente a alta concentración en el citosol (Figura 1). Debido a ello, este proceso bioquímico se denomina como intercambio de nucleótidos de guanosina. Sin embargo, las proteínas Vav se diferencian de todos los demás intercambiadores en que su actividad enzimática está directamente controlada por procesos de fosforilación en tirosina, una propiedad que las ha especializado en rutas de señalización activadas por tirosín cinasas [3]. Esta regulación implica cambios de conformaciones en la estructura de estas proteínas. Así, cuando no están fosforiladas, las proteínas Vav adoptan una conformación "cerrada" mediada por interacciones inhibitorias de los dominios N- y C-terminales con la región catalítica. Esta conformación oculta el sitio catalítico, lo que impide su acción enzimática en células no estimuladas. Sin embargo, su fosforilación tras la estimulación celular hace que estas interacciones intramoleculares se rompan y las proteínas Vav adquieran una conformación "abierta" plenamente activa [3]. Los dominios estructurales y sitios de fosforilación implicados en este proceso han sido descubiertos recientemente [4, 5]. Hay que destacar que estas proteínas ejercen pluriempleo a nivel celular, puesto que pueden estimular vías de señalización alternativas independientemente de su actividad enzimática (Figura 1). La estimulación de estas rutas, sin embargo, también requiere la fosforilación de las proteínas Vav [3]. Reafirmando su conexión con tirosín cinasas, las proteínas Vav son los únicos intercambiadores de nucleótidos que poseen una región SH2, un dominio estructural que media la asociación a proteínas fosforiladas en tirosina. Este dominio lo utilizan las proteínas Vav para unirse a las tirosín cinasas situadas aguas arriba y, posteriormente, para interaccionar con elementos de señalización que han sido fosforilados por dichas cinasas [3].

Haciendo honor a las funciones originarias de las GTPasas Rho/Rac, las proteínas Vav regulan a nivel celular procesos relacionados con el cambio citoesquelético, la estimulación de cascadas de señalización y procesos de expresión génica (Figura 1). Sin embargo, también ejecutan funciones adaptadoras no catalíticas que median la generación de flujos de calcio y la estimulación subsecuente de factores transcripcionales calcio-dependientes en algunos tipos celulares como son, por ejemplo, los linfocitos T [3] (Figura 1). El uso de animales modelo nos ha permitido descubrir que sus funciones son mucho más complejas a nivel de organismo. Así, sabemos ahora que su función es esencial para el desarrollo y propiedades efectoras de linfocitos T, la migración y orientación espacial de axones de neuronas localizadas en regiones específicas del sistema nervioso o la dilatación de los vasos sanguíneos asociada al control dinámico de la presión arterial [3] (Figura 1). Esto hace que cuando estas proteínas son eliminadas mediante técnicas genéticas en ratones se desarrollen un gran número de patologías que incluyen, entre otras, linfopenia, autoinmunidad, hipertensión, remodelación cardiovascular y síndrome metabólico [3]. También sabemos que la desregulación de su actividad, bien por la estimulación espuria de sus formas silvestres o por mutación de sus genes, favorece la aparición de procesos tumorales en células hematopoyéticas, de mama y piel [3, 6, 7] (Figura 1). Esto va asociado a procesos que favorecen tanto la tumorigénesis primaria como el proceso de diseminación metastática de las células cancerosas a órganos periféricos [3]. Estas propiedades funcionales las hacen altamente atractivas desde un punto de vista terapéutico [3].

 

Figura X Bustelo 

 Figura. Funciones bioquímicas y biológicas de las proteínas Vav.

 

REFERENCES

1. Bustelo, X.R., V. Sauzeau, and I.M. Berenjeno. GTP-binding proteins of the Rho/Rac family: regulation, effectors and functions in vivo. Bioessays29(4): p. 356-70 (2007).
2. Bos, J.L., H. Rehmann, and A. Wittinghofer. GEFs and GAPs: critical elements in the control of small G proteins. Cell129(5): p. 865-77 (2007).
3. Bustelo, X.R. Vav family exchange factors: an integrated regulatory and functional view. Small GTPases5(2): p. 1-12 (2014).
4. Barreira, M., et al. The C-Terminal SH3 domain contributes to the intramolecular inhibition of vav family proteins. Sci Sig7(321): p. ra35 (2014).
5. Yu, B., et al. Structural and energetic mechanisms of cooperative autoinhibition and activation of Vav1. Cell140(2): p. 246-56 (2010).
6. Citterio, C., et al. The Rho exchange factors Vav2 and Vav3 control a lung metastasis-specific transcriptional program in breast cancer cells. Sci Sig5(244): p. ra71 (2012).
7. Menacho-Marquez, M., et al. The Rho exchange factors Vav2 and Vav3 favor skin tumor initiation and promotion by engaging extracellular signaling loops. PLoS Biol11(7): p. e1001615 (2013).

 

 

 

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Interview

Xosé R. Bustelo
Centro de Investigación del Cáncer e Instituto de Biología Molecular y Celular del Cáncer de Salamanca (CIC-IBMCC). CSIC-Universidad de Salamanca

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P.- ¿Cuándo surgió su vocación científica? ¿Le influyó alguien de forma especial?

R.- Yo creo que el espíritu científico, como puede ser el de ser literato o poeta, surge de forma innata. Que yo recuerde, siempre tuve una tendencia y curiosidad natural hacia el mundo que me rodeaba y, más tarde, hacia la ciencia. Esto siempre fue asociado a un alto escepticismo sobre explicaciones no racionales sobre estas cuestiones. En cuanto a mi área de investigación, creo que ésta se deriva originalmente de mi interés por los animales que, desde muy pequeño, me llevó a ser un pequeño zoólogo sin saber todavía lo que era eso. En este sentido, creo que soy un típico ejemplo de la generación "Félix Rodríguez de la Fuente". Ese interés por las ciencias naturales y la zoología fue lo que, en un principio, me llevó a estudiar Biología. Lo que fue curioso es que, muy rápidamente tras escoger esta carrera, mi interés fluyó de repente a aspectos más moleculares. Esto fue más un interés personal que una influencia de personas en concreto y, todavía hoy en día, me pregunto por qué fue así.

Creo que todos recibimos múltiples influencias de profesores, familiares y científicos con los que hemos convivido. Es difícil, en mi caso, personalizar quién me influyó más en este sentido. Sí recuerdo, sin embargo, que de muy joven hubo figuras que me fascinaron por su dedicación y pasión científica como fueron Pasteur, Curie y, más tarde, Cajal y Einstein. De todos modos, creo que al final uno es fundamentalmente heredero de quien te formó como científico. En mi caso, esta "domesticación" fue llevada a cabo por mis directores de tesis (Dr. Manuel Freire) y trabajo de postdoctorado (Dr. Mariano Barbacid). Al final, ellos fueron los ejemplos más cercanos que he tenido de dedicación, pasión y métodos científicos.

P.- ¿Podría resumir brevemente su trayectoria profesional? ¿La repetiría en su totalidad?

R.- Hice la carrera de Biología en la Universidade de Santiago de Compostela en el área que en aquel momento se llamaba "Fundamental" (ahora la llamaríamos Biología Molecular quizá) durante los años 1980-1985. Durante el último año de la licenciatura me incorporé con una beca de colaboración al laboratorio del Dr. Manuel Freire Rama en el Departamento de Bioquímica e Bioloxía Molecular de la Universidade de Santiago de Compostela, en el que continué posteriormente como becario FPI para realizar la tesina y tesis doctoral (1985-1990). Tras la finalización de la tesis, me incorporé al laboratorio del Dr. Mariano Barbacid que, en aquellos momentos, estaba en el Bristol-Myers Squibb Pharmaceutical Research Institute en Princeton (NJ, EE.UU.) y donde, entre experimento y experimento, estuve hasta el año 1996. Los dos primeros años de ese periodo fueron financiados en parte por una beca de formación postdoctoral de Ministerio de Educación. Después de esa estancia conseguí ya establecer mi propio grupo de investigación en el Department of Pathology de la State University of New York at Stony Brook (Stony Brook, NY, EE.UU.) donde estuve hasta el año 2000 como Assistant Professor. Tras la apertura del Centro de Investigación del Cáncer de Salamanca, me incorporé a él en el año 2000 tras conseguir una plaza de Científico Titular de CSIC. Desde ese año sigo en dicho centro, en la actualidad como Profesor de Investigación del CSIC, vicedirector del centro y director de su Unidad de Genómica y Proteómica.

¿Si la repetiría? ¡Qué difícil pregunta! Yo no soy mucho de mirar atrás, por lo que mi contestación sería que sí lo haría probablemente. Como decía Camus, nosotros somos el conjunto de nuestras decisiones y, por tanto, tanto las decisiones malas como las buenas contribuyen a determinar nuestro carácter, formación y lo que somos en la actualidad tanto como personas como científicos. En todo caso, creo que, retrospectivamente, las decisiones más importantes que he hecho en el plano personal y profesional han sido en última instancia las más adecuadas.

P.- ¿Cuáles son según su punto de vista las cualidades de un buen investigador? ¿Qué consejo daría a los que ahora inician su carrera científica?

R.- Severo Ochoa decía que ser científico es un sacerdocio al que, afortunadamente, no se le exige el sacrificio del celibato. No sé si yo llevaría tan lejos la definición de qué es ser un científico, pero sí creo que éstos tienen que ser personas muy vocacionales y que tienen que "vivir" la ciencia de manera constante tanto dentro como fuera del laboratorio. Creo que asociado a esto hay una serie de cualidades que hay que reunir, como son las de tener una curiosidad permanente por el mundo que nos rodea, una alta capacidad crítica (tanto de nuestro trabajo como del de los demás), un alto grado de iconoclasia, autoconfianza y testarudez para romper moldes y defender nuevos hallazgos frente al status quo científico del momento, humildad para reconocer errores y aprender nuevas cosas, perseverancia para pasar los momentos malos, honestidad sobre los resultados que generas y, finalmente, generosidad para compartir datos, reactivos y para ayudar al propio funcionamiento del sistema científico (participando en tareas de gestión científica en centros, procesos de evaluación, etc.). Junto a estas cualidades intrínsecas, un científico tiene que ser un buen comunicador tanto a nivel escrito como oral y, ya cuando llega a ser líder de grupo, tener ciertas dotes de gestión de personal.

El consejo que daría a los que inician la carrera científica es que, independientemente de lo que oigan sobre lo difícil que puede ser o lo duro que está la cosa, tiren para adelante. Yo creo que una persona con vocación, ganas de trabajo y con decisiones adecuadas en su proceso formativo (laboratorios que se escogen, temas de trabajo, etc.) siempre tirará para adelante de forma positiva. Por otro lado, creo que en lo que se tienen que centrar es en hacer hallazgos nuevos y trascendentes más que en preocuparse en qué artículos se van a publicar. Con esa mentalidad siempre tendrán éxito mientras que, si escogen el proceso inverso, lo único que conseguirán será convertirse en científicos del montón sin perspectivas de futuro de ningún tipo. Y que no se olviden de cosas colaterales, como perfeccionar su inglés a nivel oral y escrito, sus dotes de comunicación y su capacidad de redacción. Y, si no tienen una vocación clara, que se dediquen a otra cosa porque esta vida no valdrá para ellos.

P.- ¿Cuál consideraría que ha sido el principal avance científico del siglo XX? ¿Cuál es el avance científico que más le ha impresionado? ¿Cuál ha sido su mayor sorpresa en el área de investigación en que trabaja?

R.- En mi campo, sin duda, el descubrimiento del ADN como material hereditario y los desarrollos posteriores asociados a cómo se replica, expresa y traduce dicha información genética. No solo por su trascendencia obvia en el ámbito del conocimiento, sino también porque el diseño experimental que se desarrolló para llevar a cabo esos avances es muy atrayente y elegante. Su corolario final ha sido la secuenciación de genoma humano y toda la información que de ésta se deriva en relación a qué somos, de dónde venimos y porqué enfermamos. Fuera de mi campo, creo que la física atómica y el establecimiento del modelo estándar de partículas actual es también muy relevante, dado las implicaciones que éste tiene para entender la estructuración última de la materia y, sobre todo, por las inferencias que de él se derivan sobre el origen y evolución del cosmos en su conjunto.

En mi área de investigación, relacionada fundamentalmente con la comprensión de los mecanismos moleculares que causan el cáncer, ha habido tanto sorpresas positivas como negativas. Entre las primeras está que ahora, por primera vez, conocemos en gran medida todos los elementos y procesos que condicionan su aparición lo que, a su vez, está abriendo perspectivas hasta hace poco insospechadas acerca de cómo diagnosticarlo y tratarlo de manera más efectiva. El aspecto negativo que, por otra parte, es muy atrayente desde el punto de vista científico, es la resiliencia de la célula tumoral a ser tratada. Esto está asociado a cuestiones fascinantes desde el punto de vista científico como son la heterogeneidad tumoral, la evolución de la misma antes y después del tratamiento, las múltiples vías que una célula puede sufrir para llegar a ser tumoral y la versatilidad que las células tumorales tienen para circunvalar los tratamientos a los que se someten.

P.- ¿Podría describirnos brevemente en qué consiste su línea de investigación actual y cuál es su trascendencia? ¿Cómo ve el futuro de esta línea científica?

R.- Nuestro grupo está trabajando en el campo de las GTPasas de la superfamilia Ras. Dentro de este campo, estamos interesados en el estudio de una familia de enzimas encargada de activar a las GTPasas Rho/Rac durante la estimulación celular y en el análisis de una GTPasa (R-Ras2) que actúa como "driver" oncogénico en una amplia gama de tipos tumorales. Para llevar a cabo estos estudios, estamos utilizando una aproximación muy multidisciplinar que incluye, entre otras vías experimentales, la utilización de ratones modificados genéticamente, técnicas de expresión genética a nivel de genoma, análisis bioinformáticos y una amplia gama de metodologías relacionadas con la Biología Molecular, la Biología Celular y la Señalización Celular. El interés en estas proteínas reside en que ejercen papeles fisiológicos clave en diversos órganos y sistemas, como son el inmune, nervioso y cardiovascular. También están implicadas en el desarrollo de diversos tipos de patologías de alta incidencia en nuestro país como son el cáncer, el síndrome metabólico, enfermedades cardiovasculares y disfunciones inmunes. Nuestro objetivo último es saber cómo se regulan y cómo funcionan tanto en órganos normales como en patologías, establecer su posible valor terapéutico y, finalmente, desarrollar inhibidores contra las mismas. A nivel de futuro, creo que este trabajo irá progresivamente afianzando su versión más traslacional, haciendo un énfasis especial en su interés diagnóstico y terapéutico para pacientes.

P.- ¿Cuál es su opinión sobre cómo está articulada la carrera científica en España? ¿Qué camino queda por recorrer en Ciencia e Innovación en nuestro país?

R.- Quizá aquí sea un poco iconoclasta, pero la verdad es que no creo que tengamos un problema con la definición de la carrera científica en sí misma. Aquí, como en cualquier otro país del mundo, sabemos muy bien los pasos y etapas que tenemos que dar desde que acabamos la carrera hasta que, teóricamente consigamos un puesto académico o en la industria. El problema en nuestro país lamentablemente no es ése, sino la poca estructuración del sistema científico y, sobre todo, de cuatro problemas crónicos tradicionalmente presentes en nuestro país: la poca financiación del sistema de I+D+i, la asociación de puestos con carrera de tipo funcionarial, la endogamia crónica del sistema universitario español y la falta de opciones alternativas como pueden ser, por ejemplo, la I+D+i en industria. En mi opinión, simplemente con solventar estos dos últimos puntos no tendríamos que hablar en estos momentos de problemas de la carrera científica en España. Otra razón por la que no me gusta hablar de "carrera científica" es porque ésta se confunde en nuestro país con una mentalidad de carrera asegurada desde el momento que se comienza. Eso no pasa en ningún país del mundo relevante desde el punto de vista científico. Incluso en condiciones óptimas habrá gente que se quede fuera simplemente porque no es lo suficientemente buena.

En cuanto a la segunda pregunta, creo que las bases del sistema están montadas y, afortunadamente, hay un sustrato de investigadores muy bien formados que permite catalizar de manera óptima cualquier cambio positivo en el mismo. En mi opinión, el problema es más de estructuración del propio sistema y, durante esta última legislatura, de una desidia gubernamental hacia la ciencia y la cultura nunca igualada en nuestro país en la era democrática. Parece que estamos volviendo a la España de capilla y misa diaria en este sentido. Circunscribiéndome a los aspectos científicos, creo que necesitamos programas estables en el tiempo y un aumento significativo del presupuesto científico tanto en lo que se refiere a personal, contratos de formación, proyectos y centros de investigación. Otra pata de la que cojeamos y que se necesita solventar es que la investigación a nivel de industria sigue siendo casi un erial en nuestro país cuando la comparamos con otros estados de nuestro entorno. Creo también que cambios en el sistema se podrían hacer de forma mucho más efectiva si las decisiones estratégicas fuesen realizadas por científicos y con criterios científicos. Y, a nivel político, que las decisiones científicas del gobierno fuesen asesoradas por academias científicas y, sobre todo, que los gestores fuesen escogidos por nivel de competencia profesional más que por afiliación política como sucede en países de nuestro entorno. Lamentablemente, en estos momentos muchos de estos puestos están tomados por donnadies y doñanadies científicos y así nos va.

 

Biography

Xosé R. Bustelo
Centro de Investigación del Cáncer e Instituto de Biología Molecular y Celular del Cáncer de Salamanca (CIC-IBMCC). CSIC-Universidad de Salamanca
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Xosé Bustelo es Profesor de Investigación del CSIC. Tras realizar su postdoctorado en el Bristol-Myers Squibb Pharmaceutical Research Institute (Princeton, NJ, EE.UU., 1990-1996), ocupó como investigador principal los puestos de Assistant Professor en la Universidad del Estado de Nueva York (Stony Brook, NY, EE.UU., 1996-2000) y de Científico Titular (1999-2004) e Investigador Científico (2004-2005) del CSIC en el CIC-IBMCC. Su grupo es líder internacional en las GTPasas Rho/Rac y, en este campo, de las enzimas de la familia Vav que median la activación de aquéllas en procesos de señalización celular. Su grupo ha realizado hallazgos clave sobre los mecanismos de regulación, señalización y participación en procesos fisiológicos y patológicos de estos enzimas. Actualmente combina su labor científica con la vicedirección del CIC-IBMCC, la dirección de la Unidad de Genómica y Proteómica de este centro y la coordinación del Programa de Mecanismos Moleculares de la Red Temática de Investigación Cooperativa en Cáncer.

 

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