Pormenores de la carrera de Lutz Birnbaumer [Números entre

Pormenores de la carrera de Lutz Birnbaumer [Números entre parenthesis se refieren a los artículos en las listas de publicaciones de Lutz Birnbaumer (Papers LB)] La carrera de investigación de Lutz Birnbaumer (Luis Birnbaumer en la Argentina) se extiende por cinco décadas durante las cuales realizó constantemente y sigue realizando contribuciones significativas. Algunos de éstas, tales como la existencia de señalización a través de la membrana plasmática dependiente de GTP y la regulación de los canales iónicos po las proteínas G, fueron innovadoras y entraron en los libros de texto estándar de ciencia médica y de posgrado. Birnbaumer recibió su educación primaria y secundaria en la Argentina, donde también estudió Farmacia y Bioquímica en la Universidad de Buenos Aires, recibiendo títulos profesionales en ambos campos. En 1966 completó sus estudios de postgrado sobre los mecanismos que regulan la síntesis de glucógeno en homogenatos de músculo de pecho de paloma bajo la dirección de los Drs. Hector N. Torres, futuro Director Fundador del Instituto de Ingenería Genética y Biología Molecular (INGEBI UBA‐
CONICET) y Luis F. Leloir (futuro ganador, en 1970, del Premio Nobel en Química). En 1967, Birnbaumer emigró a los Estados Unidos, para recibir entrenamiento postdoctoral en el laboratorio del Dr.Martin Rodbell (futuro ganador , en 1994, del Premio Nobel en Medicina y/o Fisiología) en los Institutos Nacionales de la Salud de los EEUU (NIH), para trabajar en los mecanismos que regulan la síntesis de AMP cíclico. Este nucleótido es sintetizado por la encima adenilil ciclasa dentro de las células, y regula funciones celulares tales como la formación de glucosa (en el hígado), la degradación de lípidos (en el tejido graso), la frecuencia de contracción cardíaca, las secreciones hormonales, el color del pelo y la actividad neuronal. El trabajo de Birnbaumer se concentró en las propiedades de la adenilil ciclasa. Esta enzima puede ser estimulada en el tubo de ensayo por los mismos agentes que actúan en el cuerpo. Estos agentes (hormonas y neurotransmisores) actúan sobre las células interactuando con sitios de reconocimiento específicos llamados receptores. Originalmente, se pensaba que la actividad del receptor y la de la enzima residían en la misma proteína. Los experimentos de Birnbaumer demostraron que la misma molécula de adenylyl ciclasa podía responder a la estimulación por varios agentes distintos en forma no aditiva, lo que sugirió que los receptores eran entidades separadas (6, 8). Los estudios de Birnbaumer fueron clave para el descubrimiento de que, además de involucrar a más de una proteína, la estimulación hormonal de la adenilil ciclasa involucra también un nucleótido intracelular, el GTP (13, 14) y el ion Mg (5). El papel del GTP en la regulación hormonal de la adenilil ciclasa se convertió en un tema central para gran parte de la carrera de Birnbaumer. Su trabajo con Martin Rodbell sentó las bases para la adjudicacion del Premio Nobel a Rodbell en 1994. En 1971, el Dr. Birnbaumer asumió el cargo de Profesor Asociado de Fisiología (con tenure) en la Escuela de Medicina de la Northwestern University e inició su propio grupo de investigación. Allí descubrió que el GTP ejerce tanto una regulación positiva como una negativa sobre la actividad de la adenilil cyclasa (23). Publicó sets de artículos, en lugar de artículos individuales, proporcionando descripciones académicas de fenómenos regulatorios que son puntos de referencia en la literatura (24‐
28 y 30‐33). También descubrió que un fenómeno conocido como taquifilaxis o desensibilización puede medirse bajo condiciones libres de células a nivel de la interacción receptor‐adenilil ciclasa. La desensibilización es el fenómeno por el cual las células expuestas por largos períodos a estimulos hormonales o medicamentos, pierden su respuesta a los mismos agentes. En 1975, Birnbaumer se mudó a Houston, Texas, asumiendo a la edad de 36 años la posición de Profesor Titular (Full Professor) de Biología Celular en el Baylor College of Medicine. Allí continuó con los estudios comenzados en Chicago. Demostró que la desensibilización requiere no sólo la activación del receptor de la hormona o droga, sinó también agentes (ATP) que median la fosforilación de proteínas (34, 61). En ese momento la comunidad científica no fué receptiva a esta hipótesis. Ahora, este mecanismo de desensibilización que involucra fosforilación de proteinas es bien aceptado y se entiende mejor. Su trabajo principal, sin embargo, se centró en el mecanismo por el cual el GTP regula la actividad de la adenilil ciclasa (68, 73). A finales de 1981, publicó en la revista Nature la prueba que más que una proteína G actúa en la regulación de la actividad de la adenilil ciclasa, algo que él había postulado en base a sus observaciones en Chicago (77). Poco después, su laboratorio purificó una proteína G que tenían las propiedades requeridas para ser responsable de la regulación inhibitoria de la adenilil cyilasa (76). Su laboratorio estudió a ésta (Gi) y a Gs, la proteína G responsable de la estimulación de la actividad de adenilil cyclasa (86, 91). Comprobó experimentalmente que las proteinas G son GTPasas (95), predicho por científicos Israelis unos años antes, afianzando de este modo el concepto de que el estado activo de G‐GTP es de vida corta. Encontró que las Gs y Gi estan compuestas por tres en lugar de dos subunidades (85). En ese momento, quedó claro que las proteinas reguladoras de la adenilil ciclasa, Gs y Gi, eran estructural y funcionalmente similares a otra proteína que une GTP, Transducina. La transducina tiene actividad de GTPasa y fué descubierta por investigadores de la bioquímica de la vision; es responsable en las células fotoreceptoras de la retina de la transducción de la señal generada por la iluminación del receptor de la luz, la rodopsina, en una señal eléctrica. Birnbaumer comprobó que la activación de las proteínas Gs y Gi, al igual que la del trímero Transducina, lleva a la disociación de Gs y Gi en una subunidad α con GTP ligado a ella y un dímero βγ. La de Gs estimula la adenilil ciclasa, la α de Transducina estimula una enzima de la retina llamada fosfodiesterasa. En 1984, Birnbaumer propuso correctamente que la α de Gi inhibe la adenilil ciclasa (74, 84, 93, 124). Tres isoformas de Giα fueron descubiertas, purificadas y estudiadas en su laboratorio (121, 127, 111). A mediados de los 80, el Dr. Birnbaumer comenzó a usar técnicas de ADN recombinante para el estudio de las proteínas G. Junto con su colega, el Dr. Juan Codina, Birnbaumer tuvo una productiva colaboración con el laboratorio de los Drs. Lefkowitz y Caron, Universidad de Duke. El laboratorio de Birnbaumer contribuyó Gs y Gi purificadas y el laboratorio de Lefkowitz contribuyó con dos tipos de receptores adrenérgicos 2 y , es decir, dos de los tres tipos de receptores para la adrenalina. En conjunto los experimentos mostraron que la activación de la proteína G por el receptor es un paso independiente de la regulación de la enzima, y que la proteína G (Gs) modifica la afinidad del receptor por la hormona (adrenalina) (89, 90). En 1986, el laboratorio de Birnbaumer estableció una colaboración con el Dr. Arthur M. Brown del Departamento de Fisiología Molecular y Biofísica en el Baylor College of Medicine para investigar la posible regulación de un canal de iones por una proteína G (por ej., 114, 116, 125, 131, 133, 134, 137, 151). Los canales iónicos son proteínas de membrana que forman los poros y permiten la entrada o salida selectiva de iones creando corrientes eléctricas a traves de la membrane celular. También, Birnbaumer comenzó a trabajar en los canales de calcio dependiente de voltaje. Su laboratorio demostró por primera vez que un gen que codifica una proteina sospechada de ser un canal de calcio, la proteína α1S (también receptor de dihidropiridina o DHPR), forma un canal iónico, que operacionalmente es independiente de los otros componentes que co‐purifican con la 1S (141), y descubrió el papel regulador de las proteínas que co‐purifican con la 1S del músculo esquelético (162, 165). Su laboratorio identificó por clonación molecular nuevas formas de la subunidad β presentes en diferentes tejidos (154, 166, 178, 183). En colaboración con el Dr. Enrico Stefani, Birnbaumer identificó las porciones de la proteína α1 que desempeñan papeles diferentes en la molécula de canal de calcio y describió el efecto regulador ejercido por otro componente del canal, las subunidades β. Su primer esfuerzo de colaboración con el Dr. Stefani condujo a una publicación en la revista Science que describe los parámetros funcionales de los componentes del canal de calcio α1 que son afectados por la presencia de la subunidad β (185). Aspectos importantes del trabajo de Birnbaumer durante los últimos veinticinco años se centraron en la importancia funcional de las diferentes proteínas G en el animal intacto y en la base estructural de la entrada de calcio a células tanto dependientes como independiente de voltaje. La importancia funcional de las proteínas G fue explorada a través de inactivación de sus genes. Su laboratorio fue el primero en inactivar (knock‐out o KO) el gen de una subunidad α de una proteína G, la Gi2α (184). Ratones homocigotas para la carencia de Gi2, desarrollaron una enfermedad inflamatoria del intestino que se asemeja a la colitis ulcerosa humana (200, 221, 229). Tratamiento de esta enfermedad invariablemente termina con la resección quirúrgica del intestine, sus causas se desconocen. Ratones Gi2α‐negativos muestran alteraciones en las funciones de linfocitos T y B (221, 250, 253, 260, 264, 266), lo que lleva a la conclusión que la inflamación en estos ratones es debido a una alteración del sistema inmunitario. Trabajos muy recientes en colaboración con Bernd Nuernberg en Alemania mostraron roles de las proteinas Gi2 y Go (muy abundante en cerebro, pero también expresada en corazón y celulas endocrinas). Se demostró que estimulación de la secreción de insulina de las células beta del páncreas por aminoácidos es mediada por Gi2 (378), mientras que una inhibición tónica de la secreción de insulina ejercida por la adrenalina y también por galanina es mediada por Go, esto ultimo hecho en colaboración con Meisheng Jiang (331). Con Yong Yang en Nanjing, China, se descubrió que las proteínas Gi1 y Gi3 son esenciales para el gatillado de la activación del NFkB en respuesta a la interacción de la endotoxina LPS de bacterias Gram‐negativas con el TLR4 (389). En corazón, Gi2 promueve inflamación y muerte tisular inducida por trombos, mientras que en la sangre es requerida para la coagulación sanguinea (391). La base estructural del pasaje de calcio por sus canales fue explorada en colaboración con el Dr. Stefani a través de la expresión en oocitos de Xenopus laevis de diversos canales y sus subunidades, clonados en el laboratorio de Birnbaumer, mediante la evaluación de sus propiedades funcionales antes y después de introducir mutaciones diseñadas para probar varias hipótesis en cuanto a cómo se conectan los sensores de voltaje a la apertura del poro. Los primeros pasos hacia este objetivo de largo plazo han sido estudios detallados del canal de calcio cardíaco (α1C) (188, 198), del clonado molecular y la expresión funcional de canal de calcio neuronal humano (α1E) (198) y de la modulación comparativa de estos dos canales por las distintas subunidades β (197). En 1994, Birnbaumer se mudó a Los Angeles, California, y se unió al plantel profesorial de Escuela de Medicina de la UCLA como Profesor de Anestesiología y Profesor de Quimica Biológica. En la UCLA, Birnbaumer desarrolló una nueva línea de investigación: identificación de la naturaleza molecular de una clase de canales de calcio que median la llamada entrada capacitativa de calcio o canales CCE. Estos canales son activados por las señales que promueven la liberación de calcio de almacenes intracelulares. Su laboratorio tuvo éxito en la clonación de seis nuevos genes de mamíferos y demostró que estos genes participan en este tipo de entrada de calcio (204, 212, 216, 223, 224, 227, 230). Esto fué y sigue siendo un área de investigación de alta importancia que está llevando adelante no sólo en los Estados Unidos, sino también en Europa, Japón y ahora la Argentina. Los canales, descubiertos en la UCLA, denominados TRP o canales ‘potencial de receptor transitorio’, modulan fenómenos celulares diversos como son las oscilaciones periódicas de los niveles de calcio intracelular y la muerte celular programada (apoptosis). En UCLA, Birnbaumer continuó la interacción productiva con el laboratorio del Dr. Stefani estudiando las propiedades y la regulación de canales de Ca2+ regulados por voltaje (213, 214, 217, 219, 220, 222, 225, 226, 231, 232, 233). Además, mientras estuvo en la UCLA, Birnbaumer continuó sus investigaciones sobre funciones de proteínas G. Entre 1995 y 1996, estableció un "servicio de inactivacion de genes por recombinación homóloga y creación de ratones transgénicos" en la División de Ciencias Básicas del Departamento de Anestesiología. Entrenó tanto a técnicos y como a postdoctorales y tuvo éxito en la creación para su grupo propio de ratones deficientes en los genes de tres proteinas G: Gi1α, Gi3α y Goα, (228). Junto con Gi2α, éstas constituyen el grupo de proteinas G no sensoriales, sensibles a la toxina de pertussis. Encontró que los ratones deficientes Godesarrollan múltiples problemas neurológicos además de un comportamiento de rotación en sentido contrario a las agujas del reloj, para el cual Birnbaumer está intentando encontrar una explicación adentrándose en el campo de los circuitos de neuronales definidos por neurotransmisores del SNC (228, 245, 269). Con Noga Vardi, Birnbaumer descubrió un papel esencial para Go1α (variante de ensamblaje del ARN ‐ splice variant) en la conversión por células bipolares de la señal de luz detectada por las células fotoreceptoras de la retina, en la activación de las células ganglionares de la retina, cuyos axones forman el nervio óptico (243, 251) y muy recientemente en colaboración con Vardi y Kirill Martemyanov, descubrió que el efecto de Go se debe a una regulación doble del canal TRPM1 (melastatin) de la célula bipolar tanto por Gocomo G (400). Se encontró que ratones deficientes en Gi1 carecen de una clase especial de memoria de largo plazo (263) mientras que ratones deficientes en Gi3 tienen desarrollo defectuoso de la caja torácica (345) y no responden a la acción anti‐autofágica de la insulina en el hígado (277). La dependencia de la acción anticatabólica de la insulina de una señal mediada por una proteina G heterotrimérica endocelular es un hallazgo sorprendente que se espera conduzca a nuevos descubrimientos en el mecanismo de acción de esta hormona. Curiosamente, el desarrollo de la colitis ulcerosa y de adenocarcinomas en ratones Gi2‐
negativos ocurre solamente en algunas cepas de ratón. Esto ofrece una oportunidad para investigar el papel de los antecedentes genéticos, específicamente de los genes individuales, en el desarrollo de esta enfermedad multifactorial. En 1997, Birnbaumer aceptó la dirección del Departamento de Biología Molecular, Celular y de Desarrollo (MCDB) del Colegio de Letras y Ciencia de la UCLA, sin renunciar de sus cargos de Profesor de Anestesiología y Química Biológica y de Jefe del Servicio de Inactivación de Genes y Creación de Ratones Transgénicos en la Escuela de Medicina. Durante su dirección desde octubre de 1997 a octubre de 2001, el Departamento MCDB contrató cinco profesores asistentes nuevos, 4 de los cuales mujeres, una de ellas hispánica, cuyos intereses abarcaron biología de desarrollo de ratones y de pez zebra, genética del desarrollo, y epigenética en la planta Arabidopsis thaliana . Dos de los nuevos profesores obtuvieron el prestigioso premio ‘Alumni Gold Shield Research Award” y uno ganó el Premio ‘Excelencia en Enseñanza UCLA 2000’. Otro de los nuevos profesores es ahora un Sr. Howard Hughes Investigator. En 2001, después de haber avanzado en la UCLA al nivel académico de Profesor Serie Regular Further‐ Above‐ Scale, Birnbaumer volvió al NIH para asumir el cargo de Director Científico (SD) con la responsabilidad de coordinar las actividades científicas de 61 grupos independientes de investigación de la División de Investigaciones Intramurales del Instituto de las Ciencias de la Salud Ambiental (NIEHS) en Carolina de Norte, y tras la aprobación unánime por el Comité Central del NIH, empezó el grupo de Señalización de Transmembrana, que dirigió hasta retirarse en diciembre 2013. Bajo su dirección como SD y antes de la llegada del nuevo director del NIEHS en mayo de 2005, el Dr. Birnbaumer llenó dos posiciones de Jefe de Laboratorio/Rama (Branch). Designó a Dale Sandler como jefa de la Rama de Epidemiología. La Dra. Sandler es una epidemióloga quien, junto a Clarice Weinberg, especialista en bioestadística, también del NIEHS, había desarrollado el “Estudio Hermanas” para indentificar nuevos factores que predisponen al desarrollo del cáncer de mama. La otra persona designada fué Trevor Archer, un biólogo molecular afroamericano, como cabeza del Laboratorio de Carcinogénesis Molecular. Los estudios del Dr. Archer se enfocan la estructura de la cromatina y la biología de células madre. Como SD del NIEHS Birnbaumer gestionó con éxito la contratación de 12 investigadores jóvenes “tenure track”, incluyendo un médico científico (MD‐PhD) y tres mujeres, una de las cuales es hispana. En el NIEHS, la investigación de Birnbaumer continuó haciendo avances significativos en la comprensión de los papeles desempeñados por las proteínas G heterotriméricas y por los canales TRP en la transducción de señales. Identificó una variante extra larga hasta ahora desconocida del Gsα que se produce por la utilización de un exón alternativo en el ‘Locus Complejo GNAS’ (256). Continuó trabajando en el papel del ion magnesio en el mecanismo de activación de subunidades  de las proteínas G y demostró que el Mg desempeña el papel de ‘piedra clave’, fijando al GTP en su lugar en la Gα y al mismo tiempo fijando la Gα en su conformación activa (309, 152b). Este mecanismo es general para todas las GTPasas reguladoras, no solo las de las proteinas G heterotriméricas. Además, encontró que el carbonilo de la Thr que contribuye uno de los dos hidroxilos que coordinan el Mg, es esencial para la activación de la GTPasa de Gα (309). En una serie de estudios altamente citados demostró las interacciones entre los canales TRPC, el Orai (la subunidad poro‐formante de los canales de calcio activados por vaciado de reservorios) y el Stim (sensor de Ca2+ del retículo endoplasmático) en las entradas de Ca2+ operadas por receptor y por el vaciado de los reservorios (ROCE y SOCE) (276, 288, 297 ) llevando a un mejor entendimiento de los mecanismos responsables de la entrada de calcio en las células. En el NIEHS, Birnbaumer continuó desarrollando nuevos modelos de ratón carentes de canales TRPC (270, 282, 294, 316, 347) para ayudar a definir las funciones de estas proteínas en procesos fisiológicos y patofisiológicos, así como ratones carentes de subunidades  de proteinas G (323, 335). Los nuevos modelos de ratón carentes de proteínas G han identificado papeles para el Go en la secreción de la insulina, (312) y en la función vomeronasal que percibe feromonas, donde media el comportamiento agresivo en roedores machos (323) asi como el comportamiento sexual y reproductivo en hembras (376). Estudios con ratones deficientes en canales TRPC han abierto una nueva área de investigación y han demostrado que estos canales desempeñan papeles importantes en la regulación de la transmisión sináptica (294, 332); pancreatitis (302, 317); el sentido del oido, (305, 308, 336, 349); la sensacion del tacto normal (336), visión (316, 337); función renal (325); secreción (283); inmunología (322); músculo liso (270, 282, 300, 319, 326, 338) y esquelético (304, 334); la función del músculo cardíaco (303, 311, 344); varias funciónes de las células endoteliales (292, 327, 342, 401); transdiferenciación de fibroblastos dérmicos a miofibroblastos durante la cicatrización (341); neurodegeneración (330); neurotoxicidad (333); alergia (339); sepsis (340); y tráfico intracelular de los canales iónicos (315). Estos roles son consecuencias directas de las dos propiedades principales de los canales TRPC: ser canales catiónicos no selectivos que llevan a la despolarización de la membrana de las células excitables y al dejar pasar calcio, afectan las funciones intracelulares que son desencadenadas por o dependientes del ion calcio. En 2014, después de haber estado 47 años en los EEUU, Birnbaumer se repatrió. Estableció residencia en Belgrano y, en lugar de iniciar una vida cómoda de jubilado, aceptó el nombramiento de Profesor de Biologia Celular ‐ ad honorem, en el Instituto de Investigaciones Biotecnológicas de la Universidad Nacional de San Martín (IIB‐INTECH UNSAM‐CONICET). Alli abrió un laboratorio de investigación con el tema ‘Farmacología y Función de los Canales TRPC’ para no sólo continuar el studio de las funciones y modos de activación de estos canales a los que su laboratorio había descubierto en 1995‐96, sino también para iniciar el desarrollo de fármacos inhibidores con selectividad para los diferentes TRPCs, que se predice tienen gran potencial de aplicación médica. En enero 2016, Birnbaumer mudó su laboratorio del IIB‐INTECH al Instituto de Investigaciones Biomédicas (BIOMED UCA‐CONICET) de la Pontificia Universidad Católica Argentina (UCA), donde lidera el Laboratorio de “Farmacología, Activación y Funciones de los Canales TRPC”. En resumen, el Dr. Lutz Birnbaumer es mundialmente conocido por ser el co‐descubridor, junto con el Dr. Martin Rodbell, de las funciones reguladoras del GTP y del Mg en el proceso de transducción de la señal generada por la ocupación de un receptor por un ligando y la activación de la adenilil ciclasa. Sus observaciones fueron la base que condujo al descubrimiento de las proteínas G como moléculas transductoras de señales.