Researchers at the Centre for Genomic Regulation (CRG) in Barcelona have discovered a mechanism involving ribosomes which helps the heart toggle between a ‘regular maintenance mode’ for day-to-day function and an ‘energy-boost mode’ which aids recovery for high-demand situations including heart attacks. The findings are published in a ‘Breakthrough Article’ in the journal Nucleic Acids Research, a distinction awarded to studies that answer long-standing questions in the field.

Ribosomes are the molecular factories that manufacture proteins in all living cells. Historically, they have been perceived as simple but vital workhorses which lack the ability to regulate a cell’s function. However, there is increasing evidence that these fundamental units – which come in different shapes and forms – carry out specialised tasks, which are yet to be discovered.

Using different experimental techniques and latest-generation sequencing technologies, the researchers found that cardiomyocytes, the cells responsible for the heart contracting, and skeletal muscle cells, which are connected to bones and are critical for strength and movement, have different types of ribosomes compared to all other types of cells in the body. 

“For a long time, we thought that ribosomes were the same in every single cell of the human body. This makes them impractical drug targets as you could be healing one body part while damaging many others. The existence of specialised ribosomes and their specificity to heart and muscle cells is a turning point because it means it is possible to develop medicines that target specific ribosomes for the purpose of treating cardiovascular disease,” explains Dr. Eva Novoa, corresponding author of the study and researcher at the Centre for Genomic Regulation.

Ribosomes are made of proteins. While the ribosomes in most human cells contain ribosomal protein L3 (RPL3), the ribosomes in cardiomyocytes and skeletal muscle cells contain ribosomal protein L3-like (RPL3L). The crucial difference between the proteins, which share 77% of their amino acid sequence, is their tail. The study shows that cells will exclusively use one protein or the other. Whichever protein ends up being used, the corresponding tail sticks out on the surface of the ribosome, changing its shape and surface, which in turn affects how it binds to other proteins and receptors.

The researchers found that cardiomyocyte and skeletal muscle ribosomes showed no benefit in terms of protein synthesis compared to other ribosomes. However, the researchers were surprised to find that knocking the RPL3L gene out in mice showed both cardiomyocytes and skeletal muscle cells creating ribosomes with RPL3 instead. In stark contrast, knocking out RPL3 was lethal.

Researchers found that this newfound compensation mechanism also naturally occurred in response to a heart attack or myocardial infarction, with cardiomyocytes replacing all their existing stock of RPL3L-containing ribosomes with ribosomes containing RPL3 instead. The different shape of the new ribosomes enables them to make physical contact with mitochondria, the batteries of the cells, and significantly boosts the production of ATP, the universal currency used for energy. The effect was detected within six hours after infarction and peaked after 72 hours.

This ribosome replacement mechanism also occurs during cardiac hypertrophy, a response of the heart to increased workload which can be either physiological, such as after exercise, or pathological, due to disease. RPL3-containing ribosomes in cardiomyocytes peak after 96 hours in response to cardiac hypertrophy.

The study provides some clues for why the heart and muscle use RPL3L for ribosomes in the first place. The researchers found that RPL3L is only present in the ribosomes of adult cardiomyocytes, while fetal tissues exclusively use RPL3. At the same time, mice lacking RPL3L had lower lean muscle mass at 55-weeks old compared to mice with RPL3L.

“When we are born, our hearts need lots of energy to grow. At this point, cardiomyocytes only express RPL3, swapping to RPL3L only once the heart is fully mature. We don’t know exactly why, but the cells could be making the switch to fine tune the mitochondrial activity in resting conditions and possibly decrease levels of free radicals, dangerous by-products of mitochondrial metabolism. This could explain how the heart delicately balances two different modes – one where ribosomes boost energy levels and one where the heart is kept in maintenance mode,” explains first author of the study and PhD candidate Ivan Milenkovic.

The discovery of this mechanism can be exploited to improve cardiac health and function, and establishes ribosomes as a new frontier for therapeutic strategies that prevent or heal damage to the heart. The researchers are now researching the molecular mechanisms in further detail to distinguish pathological and physiological cardiac hypertrophy, including exercise experiments with mice to assess how the presence or absence of RPL3L in cardiomyocytes affects physical performance. 

EN CASTELLANO

El corazón alterna entre dos modos de energía usando distintos ribosomas 

Un equipo científico del Centro de Regulación Genómica (CRG) de Barcelona ha descubierto un mecanismo que, mediante un cambio en los ribosomas, ayuda al corazón a alternar entre dos modos: el mantenimiento de la función cardíaca diaria y un modo de 'carga rápida’ que impulsa la recuperación de situaciones de alta demanda como, por ejemplo, un infarto. Los hallazgos se publican en un 'Breakthrough Article' en la revista Nucleic Acids Research, una distinción otorgada a estudios que responden a preguntas planteadas hace mucho tiempo en el campo. 

Los ribosomas son las fábricas moleculares que sintetizan proteínas en las células de todos los seres vivos. Históricamente, se han percibido como caballos de batalla simples pero vitales que carecen de la capacidad de regular la función de una célula. Sin embargo, cada vez hay más pruebas de que estas unidades fundamentales, que existen en diferentes formas, llevan a cabo tareas especializadas aún por descubrir.

Utilizando diferentes técnicas experimentales y tecnologías de secuenciación de última generación, el equipo científico ha descubierto que los cardiomiocitos, las células responsables de que el corazón se contraiga, y las células del músculo esquelético, conectadas a los huesos y que son críticas para la fuerza y el movimiento, tienen diferentes tipos de ribosomas en comparación con todos los demás tipos de células en el cuerpo.

"Durante mucho tiempo, pensamos que los ribosomas eran iguales en cada célula del cuerpo humano. De ser así, son dianas terapéuticas poco prácticas, ya que uno podría estar curando una parte del cuerpo mientras daña muchas otras. La existencia de ribosomas especializados y su especificidad en células cardíacas y musculares es un punto de inflexión porque significa que es posible desarrollar fármacos dirigidos a ribosomas específicos con el fin de tratar enfermedades cardiovasculares", explica la Dra. Eva Novoa, autora principal del estudio e investigadora del Centro de Regulación Genómica. 

Los ribosomas están hechos de proteínas. En la mayoría de las células humanas los ribosomas contienen la proteína ribosómica L3 (RPL3), mientras que los ribosomas en los cardiomiocitos y las células del músculo esquelético contienen una proteína ribosómica similar a L3 (RPL3L). La diferencia crucial entre las proteínas, que comparten el 77% de su secuencia de aminoácidos, es su cola.

El estudio muestra que las células utilizan exclusivamente una proteína u otra. Cualquiera que sea la proteína que termine utilizándose, la cola correspondiente sobresale en la superficie del ribosoma, cambiando su forma y superficie, lo que a su vez afecta la forma en que se une a otras proteínas y receptores. 
El estudio encontró que los ribosomas en los cardiomiocitos y del músculo esquelético no muestran ningún beneficio en términos de la síntesis de proteínas en comparación con otros ribosomas. Sin embargo, al eliminar el gen RPL3L en ratones, los autores del estudio se sorprendieron al ver que tanto los cardiomiocitos como las células del músculo esquelético crean ribosomas usando RPL3 en su lugar. En contraste, noquear el gen RPL3 fue letal.

Este nuevo mecanismo de compensación también ocurrió naturalmente en respuesta a un infarto. Los cardiomiocitos reemplazan todo su stock existente de ribosomas que contienen RPL3L con ribosomas que contienen RPL3 en su lugar. La forma diferente de los nuevos ribosomas les permite hacer contacto físico con las mitocondrias, las baterías de las células, y aumenta significativamente la producción de ATP, las moléculas universales usadas para energía. El efecto se detectó dentro de las seis horas posteriores al infarto y alcanzó su punto máximo después de 72 horas. 

Este mecanismo de reemplazo de ribosomas también ocurre durante la hipertrofia cardíaca, una respuesta del corazón al aumento de la carga de trabajo que puede ser fisiológica, como, por ejemplo, después del ejercicio, o patológica, debido a una enfermedad. Los ribosomas que contienen RPL3 en los cardiomiocitos alcanzan su punto máximo después de 96 horas en respuesta a la hipertrofia cardíaca.

El estudio proporciona algunas pistas de por qué el corazón y el músculo usan RPL3L para los ribosomas en primer lugar. El estudio encontró que RPL3L solo está presente en los ribosomas de los cardiomiocitos adultos, mientras que los tejidos fetales usan exclusivamente RPL3. Al mismo tiempo, los ratones que carecían de RPL3L tenían una masa muscular completa más baja a las 55 semanas de edad en comparación con los ratones con RPL3L.

"Cuando nacemos, nuestros corazones necesitan mucha energía para crecer. En este punto, los cardiomiocitos solo expresan RPL3, cambiando a RPL3L solo una vez que el corazón ha madurado completamente. No sabemos exactamente por qué, pero las células podrían estar ajustando la actividad mitocondrial en condiciones de reposo para disminuir los niveles de radicales libres, productos peligrosos del metabolismo mitocondrial. Esto podría explicar cómo el corazón equilibra delicadamente entre dos modos diferentes: uno donde los ribosomas aumentan los niveles de energía y otro donde el corazón se mantiene en modo de mantenimiento", explica el primer autor del estudio y estudiante de doctorado Ivan Milenkovic.

El descubrimiento de este mecanismo puede ser explotado para mejorar la salud y la función cardíaca, y establece a los ribosomas como una nueva vía para el desarrollo de nuevas estrategias terapéuticas que prevengan o curen las lesiones del corazón. El equipo científico continúa investigando los mecanismos moleculares con más detalle para distinguir entre la hipertrofia cardíaca patológica y fisiológica. Están llevando a cabo experimentos de ejercicio físico con ratones para evaluar cómo la presencia o ausencia de RPL3L en cardiomiocitos afecta al rendimiento físico. 

EN CATALÀ

El cor alterna entre dos modes d’energia fent servir diferents ribosomes 

Un equip científic del Centre de Regulació Genòmica (CRG) de Barcelona ha descobert un mecanisme que, mitjançant un canvi en els ribosomes, ajuda el cor a alternar entre dos modes: el manteniment de la funció cardíaca diària i un mode de ‘càrrega ràpida’ que impulsa la recuperació de situacions d’alta demanda com, per exemple, un infart. Els resultats es publiquen en un ‘Breakthrough Article’ a la revista Nucleic Acids Research, una distinció que s’atorga a estudis que responen a preguntes plantejades fa molt de temps en el camp. 

Els ribosomes són les fàbriques moleculars que sintetitzen proteïnes a les cèl·lules de tots els éssers vius. Històricament, s’han percebut com a cavalls de batalla simples però vitals que no tenen la capacitat de regular la funció d’una cèl·lula. Tanmateix, cada vegada hi ha més proves que aquestes unitats fonamentals, que existeixen en diferents formes, duen a terme tasques especialitzades encara per descobrir. 

Fent servir diferents tècniques experimentals i tecnologies de seqüenciació d’última generació, l’equip científic ha descobert que els cardiomiòcits, les cèl·lules responsables que el cor es contregui, i les cèl·lules del múscul esquelètic, connectades als ossos i que són crítiques per a la força i el moviment, tenen diferents tipus de ribosomes en comparació amb tots els altres tipus de cèl·lules del cos. 

«Durant molt de temps, vam pensar que els ribosomes eren iguals en cada cèl·lula del cos humà. Si fos així, són dianes terapèutiques poc pràctiques, ja que podríem estar curant una part del cos mentre en danyem moltes altres. L’existència de ribosomes especialitzats i la seva especificitat en cèl·lules cardíaques i musculars és un punt d’inflexió, perquè significa que és possible desenvolupar fàrmacs dirigits a ribosomes específics per tal de tractar malalties cardiovasculars», explica la Dra. Eva Novoa, autora principal de l’estudi i investigadora del Centre de Regulació Genòmica. 

Els ribosomes estan fets de proteïnes. A la majoria de les cèl·lules humanes, els ribosomes contenen la proteïna ribosòmica L3 (RPL3), mentre que els ribosomes que es troben als cardiomiòcits i les cèl·lules del múscul esquelètic contenen una proteïna ribosòmica similar a L3 (RPL3L). La diferència crucial entre les proteïnes, que comparteixen el 77 % de la seva seqüència d’aminoàcids, és la cua.  

L’estudi mostra que les cèl·lules fan servir exclusivament una proteïna o una altra. Sigui quina sigui la proteïna que s’acabi utilitzant, la cua corresponent sobresurt a la superfície del ribosoma i canvia la seva forma i superfície, que alhora afecta la manera com s’uneix a altres proteïnes i receptors. 

L’estudi va trobar que els ribosomes en els cardiomiòcits i del múscul esquelètic no mostren cap benefici en termes de la síntesi de proteïnes en comparació amb altres ribosomes. Tanmateix, quan es va eliminar el gen RPL3L en ratolins, els autors de l’estudi es van sorprendre de veure que tant els cardiomiòcits com les cèl·lules del múscul esquelètic creen ribosomes fent servir RPL3 en el seu lloc. En canvi, noquejar el gen RPL3 va ser letal. 

Aquest nou mecanisme de compensació també es va produir de manera natural en resposta a un infart. Els cardiomiòcits reemplacen tot el seu estoc existent de ribosomes que contenen RPL3L amb ribosomes que contenen RPL3 en el seu lloc. La forma diferent dels nous ribosomes els permet fer contacte físic amb els mitocondris, les bateries de les cèl·lules, i augmenta significativament la producció d’ATP, les molècules universals utilitzades per a energia. L’efecte es va detectar dins de les sis hores posteriors a l’infart i va assolir el seu punt màxim després de 72 hores. 

Aquest mecanisme de reemplaçament de ribosomes també es produeix durant la hipertròfia cardíaca, una resposta del cor a l’augment de la càrrega de treball que pot ser fisiològica, com per exemple després de l’exercici, o patològica, a causa d’una malaltia. Els ribosomes que contenen RPL3 en els cardiomiòcits assoleixen un punt màxim després de 96 hores en resposta a la hipertròfia cardíaca. 

L’estudi proporciona algunes pistes de per què el cor i el múscul fan servir RPL3L per als ribosomes en primer lloc. L’estudi va trobar que l’RPL3L només està present als ribosomes dels cardiomiòcits adults, mentre que els teixits fetals fan servir exclusivament RPL3. Alhora, els ratolins que no tenien RPL3L tenien una massa muscular completa més baixa a les 55 setmanes d’edat en comparació amb els ratolins amb RPL3L.

«Quan naixem, el nostre cor necessita molta energia per créixer. En aquest punt, els cardiomiòcits només expressen RPL3 i canvien a RPL3L només quan el cor ha madurat completament. No sabem exactament per què, però les cèl·lules podrien estar ajustant l’activitat mitocondrial en condicions de repòs per disminuir els nivells de radicals lliures, productes perillosos del metabolisme mitocondrial. Això podria explicar com el cor equilibra delicadament entre dos modes diferents: un en què els ribosomes augmenten els nivells d’energia i l’altre en què el cor es manté en mode de manteniment», explica el primer autor de l’estudi i estudiant de doctorat Ivan Milenkovic. 

El descobriment d’aquest mecanisme pot ser explotat per millorar la salut i la funció cardíaca, i estableix els ribosomes com una nova via per al desenvolupament de noves estratègies terapèutiques que previnguin o curin les lesions del cor. L’equip científic continua investigant els mecanismes moleculars amb més detall per distingir entre la hipertròfia cardíaca patològica i fisiològica. Estan duent a terme experiments d’exercici físic amb ratolins per avaluar com la presència o absència d’RPL3L en cardiomiòcits afecta el rendiment físic.