Alexander Varshavsky

Alexander J. Varshavsky ( en ruso : Александр Яковлевич Варшавский; nacido en 1946 en Moscú ) es un bioquímico y genetista ruso-estadounidense . Trabaja en el Instituto Tecnológico de California (Caltech) como profesor Morgan de Biología. Varshavsky abandonó Rusia en 1977 y emigró a Estados Unidos .

Su laboratorio, inicialmente en el Instituto Tecnológico de Massachusetts y posteriormente en Caltech, descubrió, durante la década de 1980, las primeras señales de degradación ( degrones ) en proteínas de vida corta y los fundamentos biológicos del sistema de ubiquitina. Su investigación actual continúa centrada en el sistema de ubiquitina y las vías de los N-degrones.

Varshavsky obtuvo una licenciatura en la Universidad de Moscú (Rusia) (1970) y un doctorado en el Instituto de Biología Molecular de Moscú (1973). De 1973 a 1977, trabajó como científico junior en el Instituto de Biología Molecular de Moscú, antes de incorporarse al cuerpo docente del MIT en Cambridge, Massachusetts, EE. UU. (1977-1991). De 1992 a 2016, fue profesor Howard Smits de Biología Celular en la División de Biología e Ingeniería Biológica del Instituto Tecnológico de California (Caltech) en Pasadena, California. Desde 2017, es profesor Thomas Hunt Morgan de Biología en Caltech. ^{[ 1 ]}

Varshavsky es miembro de la Academia Estadounidense de Artes y Ciencias (1987), miembro de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos (1995), miembro de la Academia Estadounidense de Microbiología (2000), miembro de la Sociedad Filosófica Estadounidense (2001), miembro de la Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia (2002), asociado extranjero de la Organización Europea de Biología Molecular (2001) y miembro extranjero de la Academia Europea de Ciencias ( Academia Europaea ) (2005). ^{[ 1 ] [ 2 ]}

Varshavsky recibió el Premio al Mérito de los Institutos Nacionales de Salud (1998), el Premio Novartis-Drew en Ciencias Biomédicas (1998), el Premio Internacional Gairdner (Canadá, 1999), el Premio Sloan en Investigación del Cáncer (2000), el Premio Albert Lasker en Investigación Médica Básica (2000), el Premio Shubitz en Investigación del Cáncer (2000), el Premio Hoppe-Seyler (Alemania, 2000), el Premio Pasarow en Investigación del Cáncer (2001), el Premio Wolf en Medicina (Israel, 2001), el Premio Max Planck (Alemania, 2001), el Premio Massry (2001), el Premio Merck (2001), el Premio Horwitz (2002), la Medalla Wilson (2004), el Premio Stein y Moore (2005), el Premio March of Dimes en Biología del Desarrollo (2006), el Premio Griffuel en Investigación del Cáncer (Francia, 2006), el Premio Gagna y Van Heck (Bélgica, 2006), el Premio Weinstein en Investigación del Cáncer (2007), la Medalla Schleiden (Alemania, 2007), el Premio Gotham en Investigación del Cáncer (2008), el Premio Vilcek en Ciencias Biomédicas (2010), el Premio BBVA en Biomedicina (España, 2001), el Premio Otto Warburg (Alemania, 2012), el Premio Rey Faisal en Ciencias (Arabia Saudita, 2012), el Premio Breakthrough en Ciencias de la Vida (2014), el Premio Albany en Medicina (2014), la Gran Médaille de la Academia Francesa de Ciencias (Francia, 2016), el Premio Wieland (Alemania, 2017), la Medalla IUBMB de la Unión Internacional de Bioquímica y Biología Molecular (2019), el Premio Debrecen en Medicina Molecular (Hungría, 2022), el Premio Hope en Ciencias Básicas (2023) y el Premio Hogg en Investigación del Cáncer (2023). ^{[ 1 ] [ 2 ]} Premio Dr. Paul Janssen a la Investigación Biomédica (2024) ^{[ 3 ]}

En 1986, el laboratorio de Varshavsky descubrió y analizó las primeras señales de degradación (degrones) en proteínas de vida corta. ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]} "Degrón", ahora un término estándar, fue introducido por Varshavsky en 1991. Durante 1984-1990, el laboratorio de Varshavsky descubrió los fundamentos biológicos del sistema de ubiquitina. ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]} El campo de la ubiquitina y la degradación regulada de proteínas se creó en la década de 1980 a través de descubrimientos complementarios, durante 1978-1990, que revelaron tres conjuntos de hechos previamente desconocidos . El primer conjunto de estos hechos (elemento 1 a continuación) fue descubierto por el laboratorio de A. Hershko en el Technion (Haifa, Israel) (revisado en la ref. ^{[ 10 ]} ). Los otros dos conjuntos (elementos 2 y 3 a continuación) fueron descubiertos por el laboratorio de Varshavsky, entonces en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (Cambridge, Massachusetts). ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]}

(1) A. Ciechanover y A. Hershko demostraron que la ubiquitina, una proteína de 76 residuos, se conjuga covalentemente con otras proteínas en extractos celulares, una modificación proteica novedosa involucrada en la degradación proteica dependiente de ATP en extractos de reticulocitos de mamíferos (revisado en la ref. ^{[ 10 ]} ). La ubiquitinación de una proteína de prueba en un extracto de reticulocitos hizo que se volviera de corta vida en el extracto. Hershko, Ciechanover, Rose y sus colegas también descubrieron que la conjugación ubiquitina-proteína está mediada por una cascada de enzimas, denominadas E1, E2 y E3. Estos estudios se llevaron a cabo utilizando extractos libres de células (in vitro) y enzimas E1-E3 aisladas. ^{[ 10 ]} En ese momento, a principios de la década de 1980, la importancia fisiológica del sistema de ubiquitina y sus funciones biológicas específicas seguían siendo desconocidas.

(2) En 1986, el laboratorio de Varshavsky demostró que la selectividad in vivo de la ubiquitinación (conjugación ubiquitina-proteína) está determinada por señales de degradación (degrones) en las proteínas celulares. ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]} Los degrones N-terminales, llamados N-degrones, fueron las primeras señales de degradación descubiertas. Los sistemas proteolíticos dependientes de ubiquitina que destruyen selectivamente las proteínas que contienen N-degrones se denominan vías de N-degrones. Antes de 2019, estos sistemas se denominaban vías de la regla del extremo N. ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]}

(3) Durante 1984-1990, el laboratorio de Varshavsky descubrió que la ubiquitinación tiene funciones biológicas notablemente amplias, en gran medida a través del control de los niveles in vivo de proteínas celulares. ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]} Varshavsky y colaboradores demostraron en 1984 que la mayor parte de la degradación de proteínas en células vivas requiere ubiquitinación. Poco después, identificaron las primeras funciones biológicas específicas de la ubiquitinación, incluyendo la reparación del ADN (1987), el ciclo de división celular (1988), las respuestas al estrés (1987), la síntesis de proteínas (1989) y la regulación transcripcional (1990). ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]} Además, el laboratorio de Varshavsky identificó el represor transcripcional MATalpha2 como el primer sustrato fisiológico del sistema de ubiquitina (en 1990), clonó los primeros genes que codifican precursores de ubiquitina (en 1984-1989), identificó las primeras enzimas conjugadoras de ubiquitina (E2) con funciones biológicas específicas (en 1987-1988), descubrió una función no proteolítica de la ubiquitina (su actividad como chaperona cotraduccional) (en 1989), clonó las primeras enzimas desubiquitinantes, denominadas UBP1-UBP3, y clonó la primera ubiquitina ligasa E3 específica, denominada UBR1 (en 1990). Este último avance abrió un campo particularmente amplio, ya que estudios posteriores demostraron que el genoma humano codifica más de 600 ubiquitina ligasas E3 distintas. Esta multitud de E3 subyace a la enorme versatilidad funcional del sistema de ubiquitina. Además, el laboratorio de Varshavsky descubrió, en 1989, las primeras cadenas de poliubiquitina unidas a sustratos específicos y demostró, en 1990, la selectividad de subunidades en la degradación de proteínas oligoméricas por el sistema de ubiquitina (referencias ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]} y referencias allí citadas).

En resumen, los descubrimientos complementarios de los laboratorios de Hershko y Varshavsky durante la década de 1980 (puntos 1-3 anteriores) dieron lugar al paradigma moderno de la importancia central de la degradación de proteínas para la regulación de la mayoría de las proteínas in vivo, a la par del control por transcripción y traducción. Dado el rango funcional excepcionalmente amplio del sistema de ubiquitina y las numerosas formas en que los procesos dependientes de ubiquitina pueden fallar en las enfermedades, desde el cáncer y los síndromes neurodegenerativos hasta defectos en la inmunidad y otras enfermedades, incluidos los defectos congénitos, el cambio resultante en nuestra comprensión de los circuitos biológicos tiene importantes implicaciones para la medicina. ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 9 ] [ 10 ]}

Varshavsky y sus colaboradores continuaron sus estudios del sistema de ubiquitina en las décadas siguientes (desde 1990 hasta la actualidad), centrándose en las vías del N-degrón. Las funciones de amplio alcance de estas vías incluyen la destrucción selectiva de proteínas mal plegadas, la detección de compuestos específicos como oxígeno, hemo, péptidos cortos y óxido nítrico, la regulación de la transcripción, replicación y reparación del ADN, y la cohesión/segregación cromosómica, el control del transporte de péptidos, la meiosis, las chaperonas, las proteínas del citoesqueleto, la gluconeogénesis, la autofagia, la apoptosis, la inmunidad adaptativa e innata, el desarrollo cardiovascular, la neurogénesis, la espermatogénesis y los ritmos circadianos; diversas implicaciones en enfermedades humanas como el cáncer, la neurodegeneración y las perturbaciones de la inmunidad; una variedad de funciones en bacterias; y muchas funciones en las plantas, incluyendo la germinación de semillas y la detección de oxígeno/NO (referencias ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]} y referencias allí citadas).

1. El descubrimiento, en 1978-1979, de las primeras regiones hipersensibles a las nucleasas y con baja densidad de nucleosomas en los cromosomas . Estos segmentos cromosómicos "expuestos" son característicos de los promotores transcripcionales, los puntos calientes de recombinación y los orígenes de la replicación del ADN. ^{[ 2 ] [ 5 ]}

2. El descubrimiento, en 1980-1981, de la primera vía de cohesión/segregación cromosómica. Esta implica la formación, durante la replicación del ADN, de cromátidas hermanas multicatenadas (multiconcatenadas) y su posterior descatenación gradual por topoisomerasas de ADN de tipo 2. ^{[ 2 ] [ 5 ]}

3. La idea, en 2007, de que las deleciones de ADN (y las inserciones menos frecuentes) que son características de las células cancerosas pueden usarse como marcadores específicos del cáncer que no se revierten, haciendo posible una terapia selectiva de los cánceres que sería inmune a la progresión tumoral. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

4. Una conjetura verificable sobre la base molecular de la causalidad del sueño, denominada hipótesis de generación de fragmentos (GF). ^{[ 15 ]} Según la hipótesis GF, una causa molecular del sueño radica en la producción, durante la vigilia, de numerosos fragmentos proteicos extracelulares e intracelulares del tamaño de proteínas que pueden ser transitoriamente beneficiosos, pero que también pueden perturbar, a través de sus diversos y acumulativos efectos, el funcionamiento del cerebro y otros órganos. La hipótesis GF postula que el sueño evolucionó, al menos en parte, para contrarrestar la sobreproducción (debido a una eliminación insuficientemente rápida) de cientos de fragmentos proteicos diferentes durante la vigilia. La hipótesis GF es consistente con la evidencia experimental disponible. Aún queda por verificar. ^{[ 15 ]}

5. Invenciones de métodos genéticos y bioquímicos (1980-2017) (véanse las referencias ^{[ 2 ] [ 5 ] [ 9 ]} y las referencias allí citadas):

(i) Un método para el mapeo electroforético bidimensional de intermediarios de replicación/multicatenación de ADN, en 1980-1981.

(ii) Mapeo de nucleosomas utilizando un método de hibridación bidimensional, en 1982.

(iii) La técnica de fusión con ubiquitina, en 1986. Este método permite exponer, in vivo, un residuo N-terminal específico en una proteína de interés. Debido a la mecánica del código genético, todas las proteínas nacientes poseen el residuo Met N-terminal, que se conserva o se elimina de las proteínas maduras. La técnica de fusión con ubiquitina permite sortear las reglas endógenas de eliminación y retención de Met N-terminal.

(iv) Ensayo de inmunoprecipitación de cromatina (ChIP), en 1988. Se están utilizando versiones avanzadas de ChIP para mapear ubicaciones in vivo de proteínas cromosómicas.

(v) Mutaciones en muchos (la mayoría) de los genes que causan una hipersensibilidad al agua pesada ( D ₂ O ), un fenotipo condicional novedoso y de aplicación general, en 1988.

(vi) N-degrón activado por calor para producir mutantes sensibles a la temperatura, en 1994.

(vii) Método de ubiquitina dividida para detectar interacciones proteicas in vivo, en 1994. La idea central de la técnica de ubiquitina dividida abrió el campo de las proteínas divididas de una sola subunidad, como la GFP dividida, la lactamasa dividida, la nucleasa CRISPR Cas9 dividida y muchos otros sensores y efectores de proteínas divididas.

(viii) Ensayo de translocación de ubiquitina, en 1994, para analizar, in vivo, mecanismos específicos y cinética de translocación de proteínas a través de las membranas celulares.

(ix) Técnica del sándwich de ubiquitina, en 2000. Utiliza fusiones de ubiquitina y múltiples reporteros en tándem para detectar y medir la proteólisis cotraduccional in vivo.

(x) Técnica de subunidades señuelo, en 2013, para analizar la regulación in vivo de las estequiometrías de subunidades en proteínas oligoméricas.

(xi) Técnica de referencia del promotor, en 2017. Este método basado en referencias para medir la degradación de proteínas in vivo utiliza aptámeros de ARN y evita la necesidad de inhibidores de la traducción global en un ensayo de degradación por seguimiento.

1. Alexander Varshavsky, Instituto Tecnológico de California (Caltech) ( https://www.bbe.caltech.edu/people/alexander-varshavsky ).

2. Varshavsky, A. "(2022) Entrevista sobre vida y obra, a David Zierler, Caltech Heritage Project" . ( https://heritageproject.caltech.edu/interviews-updates/alexander-varshavsky ) .

3. Bachmair, A., Finley, D., Varshavsky, A. (1986) La vida media in vivo de una proteína es una función de su residuo N-terminal . Science 234: 179–186. doi : 10.1126/science.3018930 .

4. Varshavsky, A. (2008) Descubrimiento de la regulación celular por degradación de proteínas . Journal of Biological Chemistry 283: 34469-34489. doi : 10.1074/jbc.x800009200 .

5. Varshavsky, A. (2019) Vías de degradación de proteínas por N-degrón y C-degrón. Proceedings of the National Academy of Sciences 116  : 358–366. doi : 10.1073/pnas.1816596116 .

6. Jentsch, S., McGrath, JP, Varshavsky, A. (1987) El gen de reparación del ADN de la levadura RAD6 codifica una enzima conjugadora de ubiquitina . Nature 329: 131-134. doi : 10.1038/329131a0 .

7. Johnson, ES, Gonda, DK, Varshavsky, A. (1990) Reconocimiento cis-trans y degradación específica de subunidades de proteínas de vida corta. Nature 346: 287-291. doi : 10.1038/346287a0 .

8. Varshavsky, A. (2014). "Descubrimiento de la biología del sistema de ubiquitina". Journal of the American Medical Association (JAMA) 311: 1969. doi : 10.1001/jama.2014.5549.

9. Hershko, A. Ciechanover, A., Varshavsky, A. (2000) El sistema de ubiquitina. Nature Medicine 6: 1073-1081. doi : 10.1038/80384 .

10. Oh, JH, Hyun, JY, Chen, SJ, Varshavsky, A. (2020) "Cinco enzimas de la vía Arg/N-degron forman un complejo de direccionamiento: el concepto de supercanalización". Proceedings of the National Academy of Sciences 117 (20): 10778-10788. doi : 10.1073/pnas.2003043117 .

11. Vu, TTM, Mitchell, DC, Gygi, SP, Varshavsky, A. (2020) "La vía Arg/N-degron actúa sobre factores de transcripción y regula genes específicos". Proceedings of the National Academy of Sciences 117: 31094-31104. doi : 10.1073/pnas.2020124117

12. Varshavsky, A. (2007) Apuntando a la ausencia: deleciones de ADN homocigotas como señales inmutables para la terapia del cáncer. Proceedings of the National Academy of Sciences 104: 14935-14940. doi : 10.1073/pnas.0706546104 .

13. Varshavsky, A., Lewis, K., Chen, SJ (2023). Deleciones de ADN en el cáncer y sus posibles usos para la terapia. BioEssays 45. doi : 10.1002/bies.202300051.

14. Varshavsky, A. (2019) Sobre la causa del sueño: fragmentos de proteínas, el concepto de centinelas y vínculos con la epilepsia. Proceedings of the National Academy of Sciences 116: 10773-10782. doi : 10.1073/pnas.1904709116 .

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