P53 y homeostasis del hierro

El hierro es esencial para muchos procesos celulares incluyendo el crecimiento y la proliferación.  La característica más importante del hierro es que media la transferencia de electrones intercambiando los estados ferroso (Fe (II), Fe²⁺) y férrico (Fe (III), Fe³⁺). El hierro actúa como un donador de electrones en el estado ferroso y como un aceptor de electrones en el estado férrico. En consecuencia, el hierro juega un rol vital en muchas actividades bioquímicas fundamentales, como transporte de oxígeno, metabolismo energético y síntesis de ADN. Sin embargo, el hierro puede ser altamente tóxico por su capacidad para participar en la reacción de Fenton. El hierro ferroso dona un electrón en una reacción con peróxido de hidrógeno para generar el radical hidroxilo, una especie reactiva de oxígeno (ROS) que provoca estrés oxidativo, peroxidación de lípidos y  daño del ADN. Por tanto, la captación, el almacenamiento y el uso del hierro necesitan ser rigurosamente controlados.

   El hierro circulante en el cuerpo es controlado  principalmente por cuatro tipos de células: enterocitos en el duodeno que absorben el hierro de la dieta; precursores de eritrocitos en la médula ósea que incorporan hierro en la hemoglobina; macrófagos en hígado, bazo y medula ósea que reciclan hierro; y hepatocitos en el hígado que almacenan hierro. El control del hierro circulante es mediado por factores que pueden  manejar los niveles de hierro y regular  la expresión de genes necesarios para la homeostasis del hierro. Uno de los mayores mecanismos reguladores es el eje hepcidina-ferroportina (FPN). La FPN es una proteína transmembrana que permite el transporte de hierro de la célula a la circulación sanguínea. Los mayores niveles de FPN se encuentran en enterocitos, macrófagos y hepatocitos. La salida de hierro mediada por FPN es negativamente controlada por la hepcidina, una hormona de 25 aminoácidos producida por los hepatocitos. La hepcidina circulante inhibe la salida de hierro de macrófagos, enterocitos y hepatocitos y por tanto regula la cantidad de hierro en la circulación sanguínea. La hepcidina se une al dominio extracelular de la FPN e induce su endocitosis y su posterior degradación, provocando una reducción de la salida del hierro celular. La importancia del eje hepcidina-FPN en la homeostasis sistémica del hierro es ejemplificada por varios desórdenes de hierro. Por ejemplo, la disminución de la actividad de la FPN, provocada por altos niveles de hepcidina, se observa en los síndromes por restricción de hierro, incluyendo la anemia por deficiencia de hierro refractaria a hierro (IRIDA) o la anemia de la inflamación, en las cuales el hierro se acumula en macrófagos y enterocitos, pero puede ser insuficiente en otros tejidos. Por el contrario, una FPN hiperactiva, usualmente como resultado de la deficiencia de hepcidina,  se observa en la hemocromatosis hereditaria o la β-talasemia intermedia, en las cuales la excesiva absorción de hierro y la deposición tóxica de hierro ocurren en los hepatocitos y otras células parenquimales,  pero en los macrófagos ocurre una relativa depleción de hierro.

   La homeostasis celular del hierro es regulada a través de la captación, el tráfico y la exportación de hierro. Estos procesos son controlados por las proteínas reguladoras de hierro 1 (IRP1) y 2 (IRP2), también conocidas como ACO1 e IREB2, respectivamente. Las IRP son proteínas unidas a ARN que interactúan con estructuras conocidas como elementos de respuesta al hierro (IRE), los cuales están presentes en las regiones no transladadas 5´o 3´ (UTR) de los mARN. Generalmente, las IRP inhiben la translación de mARN que contienen un IRE en su 5´UTR e incrementan la estabilidad de mARN que contienen un IRE en su 3´UTR. La actividad de las IRP es controlada por el hierro. Cuando los niveles intracelulares de hierro son bajos, las IRP son activas y estabilizan los mARN para proteínas involucradas en la captación de hierro pero reprimen la translación de mARN para proteínas involucradas en el almacenamiento y la exportación de hierro. En las células repletas de hierro, la IRP1 funciona como una aconitasa y no como proteína unida a ARN, mientras la IRP2 experimenta una degradación dependiente de hierro. Como resultado, ambas IRP son inactivas e incapaces de incrementar el nivel de proteínas involucradas en la captación de hierro o disminuir el nivel de proteínas involucradas en el almacenamiento y la exportación de hierro. El significado biológico de las IRP en la regulación de la homeostasis celular del hierro ha sido confirmado en ratones. La deficiencia de IRP2 provoca distribución anormal de hierro en el cuerpo, anemia microcítica leve y neurodegeneración. Por otra parte, la sobre expresión de IRP1 reduce -mientras la sobre expresión de IRP2 promueve- el crecimiento tumoral in vivo. Estos datos sugieren que IRP1 e IRP2 pueden tener diferentes impactos con respecto al cáncer.

   Las mitocondrias juegan un rol central en la producción de energía, el transporte de oxígeno y la síntesis de desoxinucleótidos. Las mitocondrias también son esenciales para el metabolismo del hierro. El hierro intracelular puede ser transportado a las mitocondrias, donde es utilizado en la síntesis de cofactores esenciales para diversas proteínas. La mitocondria es el único sitio donde es sintetizado el heme. El heme es un grupo prostético para proteínas involucradas en la respiración celular, el transporte/almacenamiento de oxígeno y las funciones enzimáticas, como hemoglobina, mioglobina y citocromo C. Una reacción multi-etapas  es necesaria para la biogénesis del heme, la cual es catalizada por ocho enzimas. La primera etapa ocurre en la mitocondria y es mediada por la sintetasa de ácido δ-aminolevulínico (ALAS1/2) para formar ácido δ-aminolevulínico (ALA). El ALA es exportado al citoplasma y convertido en coproporfirinogeno III (CPgenIII), el cual es transportado de nuevo  a la mitocondria y convertido en protoporfirina IX (PPIX). La etapa final es mediada por la ferroquelatasa (FECH), la cual inserta ion ferroso en la PPIX para  formar heme. La síntesis defectuosa de heme está asociada con la anemia sideroblástica, en la cual los eritroblastos no pueden hacer hemoglobina debido a la disrupción en la producción de heme. Los pacientes con anemia sideroblástica tienen mutaciones hereditarias de los genes ALAS2 y FECH, los cuales son requeridos para la síntesis del heme.

   Las mitocondrias son los mayores sitios de producción de “clusters” hierro-sulfuro (ISC), los cuales son cofactores esenciales para proteínas involucradas en la respiración mitocondrial, la replicación/reparación de ADN y funciones enzimáticas. El ensamble inicial de un ISC lo lleva a cabo un complejo multimérico de proteínas. Adicionalmente, la ferredoxina reductasa (FDXR) y las ferredoxinas 1 y 2 (FDX1/2) proporcionan un electrón que reduce el sulfano a sulfuro para activar la configuración electrónica apropiada del ISC. Una vez formado, el ISC es transferido a las apoproteínas receptoras. Las mutaciones genéticas de los genes involucrados en la biosíntesis de ISC han sido identificadas en enfermedades neurodegenerativas y metabólicas, como la ataxia de Friedreich, una enfermedad autosómica recesiva caracterizada por severa neurodegeneración y cardiomiopatía.

   La desregulación del  metabolismo del hierro ha sido implicada en varios tipos de cáncer con anormalidades en la captación, utilización y almacenamiento del hierro. Las células cancerosas a menudo tienen un incremento en la expresión de importadores de hierro y una disminución de la expresión de exportadores de hierro. Por ejemplo, la expresión de FPN está reducida en el cáncer de mama con un incremento en los niveles del pool de hierro y crecimiento del tumor.  La expresión de FPN también disminuye en cáncer de próstata y cáncer de ovario. Por el contrario, la hepcidina, regulador negativo de la FPN, se encuentra aumentada en pacientes con cáncer de próstata, cáncer de mama, carcinoma hepatocelular y cáncer de ovario. Adicionalmente, la ferritina (FT), el receptor de ferritina (FTR) y la STEAP3, una metaloreductasa que convierte al hierro  férrico insoluble en la forma  ferrosa soluble, son altamente expresados en células cancerosas para incrementar la entrada de hierro. Un estudio reciente reporta que el NFSI, un regulador del ensamble de ISC, promueve el cáncer de pulmón regulando la homeostasis del hierro. El hierro promueve la formación de tumores como factor de crecimiento y es necesario para la función de muchas enzimas involucradas en la síntesis de ADN y el ciclo celular. Por el contrario, la depleción de hierro inhibe la proliferación celular disminuyendo la expresión de ciclina D1 y Cdk2. Por otra parte, el hierro puede funcionar como promotor de tumor generando ROS a través de la reacción de Fenton. Esta reacción no solo daña lípidos y proteínas, también causa daño oxidativo al ADN, incluyendo modificaciones en las bases y bandas del ADN, lo cual puede ser mutagénico.

   El supresor de tumor p53 a menudo es referido como “guardián del genoma”. La mutación del gen  p53 es la más común en el cáncer humano y la pérdida de p53 juega un rol central en el desarrollo del tumor. La importancia del p53 en la supresión del tumor está dada por su capacidad como factor de transcripción para regular una serie de genes necesarios para la supervivencia y muerte de las células. Los estudios recientes sugieren que el p53 juega un rol en la homeostasis del hierro y es regulado por varios reguladores claves del metabolismo del hierro. En el tratamiento con quelantes de hierro, la expresión de p53 aumenta e induce la inhibición del crecimiento activando genes como el p21. El aumento en la expresión de p53 por los quelantes de hierro se debe al incremento en la estabilidad de la proteína p53 por parte del factor inducible por hipoxia 1 alfa (HIF1α). El HIF1α es activado en respuesta a condiciones con privación de hierro. Por el contrario, la expresión de p53 disminuye por exposición a exceso o sobre carga de hierro a través de la interacción heme-p53. Por ejemplo, la expresión de p53 disminuye en los ratones Hfe^-/- que exhiben hemocromatosis hereditaria, una enfermedad con sobre carga de hierro. El heme interactúa con el dominio de unión a ADN del p53, lo cual promueve la salida del p53 del núcleo y su posterior degradación.

   Los ratones C57BL/6 alimentados con una dieta rica en hierro muestran una disminución de los niveles de la proteína p53 en el hígado. Consistente con esto, la pérdida de p53 provoca un aumento en los niveles plasmáticos de hierro en ratones alimentos con una dieta rica en hierro.  Como regulador master, el p53 regula la expresión de sensores de hierro claves para el control del pool intracelular de hierro. En este contexto, el promotor de HAMP, el gen que codifica a la hepcidina, contiene un potencial elemento de respuesta a p53 que puede ser activado por p53, pero disminuye cuando el p53 es silenciado.  El incremento en el nivel de hepcidina inducido por p53 juega un rol en la patogenia de la anemia, la anormalidad hematológica más común en los pacientes con cáncer, cuyos niveles de p53 a menudo aumentan durante el tratamiento del cáncer. Adicionalmente, p53 incrementa la expresión de la enzima ensambladora de ISC (ISCU), lo cual protege a las células de la sobre carga de hierro. La ISCU sirve como mediador de p53 para mantener el pool intracelular de hierro. 

   El p53 modula varias proteínas mitocondriales involucradas en el metabolismo del hierro, como la FDXR. La FDXR es la única ferredoxina reductasa humana involucrada en la biosíntesis  de ISC y heme. Los ratones deficientes en FDXR son letales embriológicamente debido a la sobre carga de hierro en el embrión en desarrollo. La expresión de FDXR mediada por p53 juega un rol en la homeostasis mitocondrial del hierro y en la modulación de ISC o la síntesis de heme. Adicionalmente, la frataxina (FXN), un regulador clave de la síntesis de ISC, es regulada por el p53. La expresión de FXN está asociada con el estatus de p53 y el promotor del gen FXN contiene un potencial elemento de respuesta al p53. Dado que el p53 modula varios reguladores de hierro, es de esperar que algunos de estos reguladores a su vez modulen la expresión de p53. Por ejemplo, la FT, una proteína de almacenamiento de hierro, activa la expresión de p53 en condiciones de  estrés oxidativo. Específicamente,  la FT se une al p53 y posteriormente incrementa la actividad transcripcional del p53, la cual es independiente de la actividad ferroxidasa de la FT. Por otra parte, la FT mitocondrial (FTmt), una proteína mitocondrial de almacenamiento de hierro, activa la expresión de p53 provocando la supresión del crecimiento.

   La ferroptosis es una ruta de muerte celular, independiente de caspasas, mediada por hierro que requiere la acumulación de hidroperóxidos lípidos. Los estudios sugieren que la ferroptosis puede ser una nueva opción para la terapia del cáncer. La ferroptosis es un componente crucial de la supresión de tumor mediada por p53. El p53 induce la ferroptosis, al menos en parte, a través de la represión transcripcional de SLC7A11, un componente del sistema xc-, un antiporter cistina/glutamato. Adicionalmente, el p53 media la ferroptosis activando GLS2 y SAT1. Sin embargo, varios estudios reportan que el p53 inhibe la ferroptosis inhibiendo la actividad de la dipeptidil peptidasa 4 (DPPIV) de una manera independiente de transcripción en células de cáncer colorectal humano. En otro estudio, el p53 disminuye la actividad del sistema xc- y simultáneamente reduce la sensibilidad de las células a la ferroptosis mediada por estrés metabólico. Estas observaciones aparentemente opuestas pueden deberse a enfoques diferentes. Por ejemplo, el p53 basal induce ferroptosis, mientras el p53 inducido por estrés inhibe la ferroptosis.

   En conclusión, el hierro juega un rol vital en muchos procesos bioquímicos fundamentales. La desregulación del metabolismo del hierro causa enfermedades como la anemia por deficiencia de hierro y la hemocromatosis hereditaria. Por otra parte, la evidencia emergente sugiere que la desregulación del metabolismo del hierro contribuye a la tumorigénesis y muchos genes reguladores del hierro son alterados en los canceres.  Generalmente, las células  cancerosas requieren una alta cantidad de hierro para su proliferación y, por tanto, son vulnerables a la deficiencia de hierro. Actualmente, los  quelantes de hierro  son considerados una estrategia terapéutica  para varios tipos de canceres incluyendo tumores sólidos y canceres sanguíneos. El efecto anti-tumor de un quelante de hierro es, al menos en parte, a través de la activación del p53. El p53 no solo es necesario para inducir la supresión del crecimiento tumoral mediante la depleción de hierro, también modula la expresión de genes involucrados en la homeostasis sistémica y celular del hierro. Adicionalmente, existen varias asas reguladoras entre  p53 y reguladores mitocondriales de hierro, como FDXR-p53 y frataxina-p53.

Fuente: Zhang J, Chen X (2019). P⁵³ tumor suppressor  and iron homeostasis. The FEBS Journal 286: 620-629.