Función de la proteína que interactúa con tioredoxina  en la célula β del páncreas

El gen que codifica a la proteína que interactúa con tioredoxina (TXNIP) fue clonado en 1994 a partir  de la línea de células promielocíticas humanas HL-60 tratadas con calcitriol, por lo que inicialmente  era conocida como proteína regulada por vitamina D₃. Sin embargo, los análisis posteriores fallaron en confirmar la transcripción inducida por vitamina D en otros sistemas celulares, sugiriendo que el efecto de la diferenciación en la línea de células promielocíticas había sido inducido indirectamente por la vitamina D.  Años más tarde, la proteína TXNIP fue identificada en un sistema híbrido de levadura y designada como proteína ligadora de tioredoxina-2. En el presente, se prefiere la designación  TXNIP, la cual refleja algunas de las acciones de la proteína. La TXNIP se une  –e inhibe- a la tioredoxina 1 y por lo tanto interfiere con  la capacidad de la tioredoxina  de reducir proteínas oxidadas, lo cual resulta  en estrés oxidativo e incremento de la susceptibilidad a la apoptosis. Más específicamente, la TXNIP interfiere con la desnitrosilación de proteínas mediada por tioredoxina.  La tioredoxina es una oxidoreductasa que forma parte de un sistema que protege a la célula contra el estrés oxidativo.  El sistema tioredoxina interviene en la oxidación de proteínas, lo cual resulta en la oxidación  de los residuos  cisteína de la tioredoxina. Para regresar  al estado reducido y activo, la tioredoxina es reducida por una  enzima reductasa dependiente  de NADPH.  El sistema tioredoxina está involucrado en múltiples procesos celulares incluyendo la proliferación celular y la apoptosis.

Sobre la base  de su interacción con la tioredoxina y su función como regulador redox celular,  se ha reportado que la TXNIP está localizada en el citoplasma. Sin embargo, hallazgos recientes han revelado que la TXNIP también  puede entrar a la mitocondria  donde interactúa con  la tioredoxina 2, liberando  la kinasa 1 regulada por la señal de apoptosis (ASK1)  de su inhibición  por tioredoxina 2 , lo cual permite  la fosforilación y activación  de la ASK1. Esto, a su vez, permite la salida de  citocromo C  de la mitocondria, el clivaje de la caspasa 3 y la apoptosis.  La TXNIP también se localiza en el núcleo y modula la expresión  de varios  microARN (ej, miR-204). Estos microARN regulan  la expresión de genes incluyendo factores de transcripción críticos para la producción de insulina como el MafA.

La TXNIP humana es una proteína de 46 kDa que contiene 391 residuos de aminoácidos  y es codificada  en el cromosoma 1q21.1.  La TXNIP pertenece a la familia de proteínas  de las α arrestinas que se caracterizan por dominios SH3 y PPxY, pero de todas ellas solo la TXNIP es capaz  de interactuar con la tioredoxina. La proteína TXNIP  tiene  un enlace disulfuro intramolecular entre dos cisteínas, Cis247 y Cis 63; la Cis247 es además esencial  para la interacción  de la TXNIP con la Cis 32 de la tioredoxina.  Precisamente, la inhibición de la tioredoxina por la TXNIP se debe a un cambio en el mecanismo de enlace disulfuro intermolecular.

En las células β de los islotes pancreáticos, la TXNIP fue descubierta en 2002 como un gen regulado fuertemente por la glucosa. Este hallazgo sugirió  que  la TXNIP podría jugar un rol importante en la biología de la célula β y posiblemente en la diabetes.  Las células β del páncreas son altamente susceptibles  al estrés oxidativo debido a la baja expresión de enzimas antioxidantes y la pérdida  de masa de células β por apoptosis es un componente crucial en la patogénesis de diabetes tipo 1 y tipo 2.

La TXNIP es considerada un gen de respuesta temprana  y su expresión en las células β del páncreas es fuertemente inducida  por la glucosa y es incrementada en la diabetes y en respuesta al estrés oxidativo.  Esta inducción es conferida a nivel transcripcional por  la proteína  de unión  a los carbohidratos de los elementos de respuesta (ChREBP) y a nivel post-transcripcional por una disminución en miR-17 y es modulada por numerosos factores adicionales.  La TXNIP a su vez inhibe la función de la tioredoxina y promueve el estrés oxidativo y la muerte celular. Adicionalmente, a través de la modulación  de la expresión de distintos microARN (miR-204 y miR 124a) y con la expresión de los genes MafA y FoxA2, la TXNIP inhibe la transcripción de insulina  e induce la transcripción del polipéptido amiloide del islote (IAPP). Estos efectos son magnificados por que la TXNIP promueve su propia expresión  vía ChREBP. La expresión  de TXNIP inducida por la glucosa  es inhibida por ácidos grasos  como el palmitato. Por el contrario, los glucocorticoides inducen la expresión de TXNIP en las células β.

En estudios in vitro, la insulina disminuye la expresión  de TXNIP en las células β del páncreas, músculo y tejido adiposo, efecto que no depende de ningún cambio en la glucosa.  Sin embargo, in vivo, la hiperglucemia incrementa dramáticamente los niveles de TXNIP como se ha visto en la diabetes aún en el contexto de severa hiperinsulinemia.  Por otra parte, agonistas del receptor de péptido glucagonoide 1 (GLP-1) como la exenatida, un poderoso secretagogo de insulina,  reducen la expresión de TXNIP en las células β.  Los bloqueadores de canales de calcio como el verapamil reducen la expresión   de TXNIP en las células β, in vitro e in vivo.

La TXNIP estimula su propia expresión  a través de un asa de retroalimentación positiva, efecto mediado por el factor de transcripción ChREBP.  El ChREBP  fue descubierto inicialmente  en el hígado y más tarde se encontró que también juega un rol en las células β. La actividad del ChERBP es regulada primariamente  por su localización celular (nuclear) y por modificación post-translacional como el estatus  de fosforilación.  La glucosa y los nutrientes promueven la desfosforilación  del ChREBP. En el núcleo, el ChREBP se une como heterodímero con Mlx y recluta a la desacetilasa  de histonas  p300, lo cual resulta en la desacetilación  de la histona H4 y la apertura  de la estructura de la cromatina para la progresión  de la polimerasa II. Otro factor de transcripción, Fox01, modula la expresión  de TXNIP en las células β compitiendo con el ChREBP por la unión al ADN  en el promotor de TXNIP y por lo tanto inhibe la expresión de TXNIP inducida por la glucosa. El Fox01 también regula la inducción de MafA y NeuroD, ambos factores de transcripción de la célula β  e involucrados en la activación del gen de la insulina.  Por lo tanto, el Fox01 promueve la función normal de la célula β, lo cual es consistente  con sus efectos inhibidores sobre la TXNIP.  Sin embargo, el Fox01 altera la diferenciación y proliferación  de células β porque interfiere  con el factor de transcripción Pdx1, involucrado en estos procesos.

El estrés del retículo endoplasmático (ER) induce la expresión  de TXNIP en las células β. La acumulación de proteínas no plegadas  en el ER provoca la activación  de una ruta de señalización conocida como respuesta a la proteína no plegada, si el problema no es resuelto se produce el estrés del ER que puede conducir a la apoptosis  a través de  rutas que involucran proteínas kinasas: (a) proteína kinasa del ER (PERK), (B) proteína kinasa serina-treonina/endoribonucleasa (IRE1α) y (c) factor activador de la transcripción (ATF). PERK e IRE1α, pero no el ATF, median la expresión de TXNIP inducida por el estrés del ER.  La señal PERK incrementa la transcripción  de TXNIP  a través del incremento de la expresión  y traslocación nuclear de ChREBP  y también vía ATF5, un miembro de la familia de proteínas ligadoras de elementos de respuestas  de factores de transcripción. La IRE1α activada y fosforilada incrementa la estabilidad del ARNm de la TXNIP. La IRE1α funciona como una kinasa/RNasa y reduce los niveles del microARN miR-17, desestabilizante de  la TXNIP.  Los microARN  son pequeños ARN no codificantes  que se unen predominantemente  a la región 3´UTR del ARNm provocando  la degradación  -o la inhibición de la traslación-  del ARNm.  El miR-17  se une a la región 3´UTR del ARNm de TXNIP para  inhibir  la expresión de la TXNIP. En resumen, la expresión de TXNIP inducida por el estrés del ER se debe  a un incremento de la transcripción  del gen TXNIP y así como también   a la liberación de  los efectos inhibidores del miR-17, lo cual resulta en un incremento  de la estabilidad  y traslación del ARNm de TXNIP.

La mayoría de factores que regulan la TXNIP lo hacen a nivel del ARNm, a través de la transcripción o de la estabilidad del ARNm. Sin embargo, también hay regulación post-tranlacional de la TXNIP. Por ejemplo, la TNXIP es fosforilada por la AMPK, y la TXNIP, a su vez, inhibe a la AMPK. Adicionalmente, la señal GLP-1/AMPc aumenta la degradación  de la TXNIP en las células β. La insulina  también promueve la degradación  de la TXNIP a través de la ruta ubiquitina/proteasoma, pero este efecto es específico de adipocitos y miotubos y no ocurre en las células β. 

La TXNIP ejerce funciones  que tienen un gran impacto sobre la vida  y la muerte de las células β de los islotes pancreáticos. Al inhibir la tioredoxina, la TXNIP induce el estrés oxidativo y su sobreexpresión en las células β promueve la apoptosis. Esto es consistente con la particular susceptibilidad de la célula β  al estrés oxidativo. El efecto pro-apoptosis es mediado primariamente  por la inducción de la muerte mitocondrial e involucra la fosforilación/activación de ASK1, la liberación de citocromo c  y el clivaje de la caspasa 3. Por el contrario, la deficiencia de TXNIP es protectora de la célula β, aumenta la señal Akt/Bcl-xl y promueve la supervivencia  de la célula β aún en el contexto  de altos niveles de glucosa.  En efecto, la TXNIP ha sido identificada como en enlace crítico  entre la toxicidad de glucosa  y la apoptosis de la célula β.

La TXNIP regula el aspecto más crucial  de la función  de la célula β, la producción de insulina. La TXNIP induce la expresión  de un microARN específico, miR-204, a través de la inhibición  de la actividad   del transductor y activador de transcripción 3, un factor  de transcripción involucrado en la regulación  del miR-204. A su vez, el miR-204 se une directamente  con la región 3´UTR de MafA, un factor  de transcripción  de la insulina, y regula su expresión.  Esto resulta  en la disminución  de la transcripción y producción de insulina.  El incremento  de miR-204 y la disminución  de MafA y la producción de insulina  asociados con el incremento en la expresión de TXNIP han sido observados en estudios in vitro e in vivo.  Por otra parte, el IAPP está asociado con la pérdida progresiva  de masa de células β en la diabetes. Aunque el IAPP  es cosecretado  con la insulina  por las células β y hay similitudes entre los promotores  de ambos, la  TXNIP promueve específicamente  la expresión de IAPP.  La TXNIP promueve la expresión de IAPP a través de  la inhibición de la expresión del miR-124a, el cual  a su vez estabiliza  al ARNm del factor de transcripción FoxA2, el cual se une al promotor IAPP e induce la transcripción de IAPP, un proceso que puede ser bloqueado por la sobreexpresión  del miR-124a.

En monocitos y células del sistema inmune, la TXNIP  induce la activación  de la proteína  inflamasoma NLRP3, la cual produce la activación de la caspasa 1 y el clivaje de la proIL-1β a IL-1β  madura que juega un rol importante en la patogénesis de la diabetes tipo 1 y tipo 2.  En músculo esquelético, adipocitos y hepatocitos, la TXNIP inhibe la captación de glucosa, lo cual previene la hipoglucemia y promueve la supervivencia en un contexto de ayuno agudo.  Este efecto se debe a la inhibición del transportador de glucosa1 (GLUT 1), la TXNIP  reduce la expresión del ARNm de GLUT 1 y también se une al  GLUT 1, provocando su internalización.

Dado  los mecanismos bien definidos  de la expresión de TXNIP inducida por glucosa, no hay duda que el incremento observado  en las células β del páncreas  es resultado  de la hiperglucemia diabética.  Sin embargo, varias líneas de evidencias  sugieren que la TXNIP juega un rol causal  en la patogénesis de la diabetes. Considerando que su expresión  es rápidamente y fuertemente  inducida por la glucosa, es concebible  que aún las excursiones de corta duración de la glucosa postprandial puedan provocar  incrementos graduales y acumulativos  de la expresión de TXNIP  antes del inicio de la diabetes.  Es importante tener presente que la expresión de TXNIP en los niveles basales, normales,  no es perjudicial para la biología de la célula β y que solamente los incrementos  patológicos como los observados en la diabetes causan disfunción y muerte  de la célula β.

En conclusión, en las células β del páncreas, la TXNIP controla la expresión  de microARn, la función y la producción de insulina. Los niveles elevados  de TXNIP inducen la apoptosis de células β, mientras que la deficiencia de TXNIP  protege contra la diabetes tipo 1 y tipo 2 promoviendo la supervivencia de la célula β.

Fuente: Shalev A (2014). Thioredoxin-interacting protein: regulation and function in the pancreatic β-cell.  Molecular Endocrinology 28: 1211-1220.