Péptidos como moduladores epigenéticos

El término epigenética se refiere a alteraciones heredables en la expresión de genes y la estructura de la cromatina debidas a modificaciones bioquímicas que no cambian la secuencia primaria de nucleótidos de los genes. Estas alteraciones pasan a la descendencia por modificaciones epigenéticas en las células germinales. Los principales mecanismos de la epigenética incluyen metilación de ADN, modificaciones post-translacionales de histonas (hPTM), remodelación de la cromatina y ARN no codificantes. Estas modificaciones epigenéticas son influenciadas por factores ambientales y de estilo de vida como dieta, microbioma, actividad física y contaminantes/toxinas. Más aún, los diferentes mecanismos epigenéticos pueden afectarse unos a otros. Por ejemplo, la metilación de histonas puede ayudar directamente a la metilación de ADN y, a su vez, la metilación del ADN puede actuar como molde para modificaciones de histonas. La desregulación epigenética está involucrada en una variedad de enfermedades y la naturaleza reversible de las modificaciones epigenéticas las convierte en interesantes blancos terapéuticos. El control epigenético puede ser disfuncional durante el desarrollo embrionario, posiblemente causado por incremento en el estrés oxidativo en los espermatozoides y resultar en enfermedades congénitas como la enfermedad de Hirschsprung. Más tarde en la vida, la regulación epigenética adversa puede  resultar en una variedad de enfermedades como cáncer, desórdenes  sanguíneos, desórdenes neurológicos y neurodegenerativos y desórdenes respiratorios.

   Las metilaciones de ADN son las modificaciones epigenéticas más comunes: un grupo metilo es transferido de la S-adenosilmetionina (SAM) a la posición 5´del anillo citosina por una ADN metiltransferasa (DNMT) y generalmente está correlacionada con represión de genes por bloqueo directo de la unión de unión de factores de transcripción o por reclutamiento de remodeladores de la cromatina. La metilación de ADN juega roles importantes en la estabilidad del genoma y los cambios anormales en la metilación de ADN están asociados con diferentes formas de cáncer. La metilación de ADN es un proceso relativamente estable mientras la desmetilación, la cual es necesaria para la reprogramación de genes, ocurre vía dilución pasiva o un proceso activo de hidroximetilación.

    Las histonas se asocian con el ADN para formar complejos nucleosomas. La compactación nucleosoma del ADN protege al genoma de agentes que dañan al ADN y permite empacar todo el ADN en el núcleo. Las modificaciones de histonas mejor estudiadas son la acetilación por enzimas histona acetiltransferasas (HAT) y la metilación por enzimas histona metiltransferasas (HMT). La acetilación neutraliza la carga positiva de lisina en las histonas, lo cual resulta en el no plegamiento de la cromatina y la activación de genes, mientras la metilación ejerce sus funciones indirectamente por reclutamiento de proteínas no histonas y el  resultado (activación o represión de genes) depende del dominio mono-di-trimetilado de la histona, la combinación específica de modificaciones y la localización de la histona a lo largo de la secuencia genética.  La reversión del fenómeno es catalizada por desacetilasas (HDAC)  y  desmetilasas, respectivamente.  Hay 18 HDAC diferentes identificadas y clasificadas en cuatro clases diferentes. Otras modificaciones de histonas son la butirilacion y la succinilación. Todas estas modificaciones pueden alterar la expresión de genes remodelando la cromatina, pero también juegan roles importantes en la respuesta al daño del ADN. Adicionalmente, las histonas pueden ser reemplazadas durante el ciclo celular por variantes de histonas, las cuales son codificadas por genes separados. Estas variantes pueden cambiar las propiedades de la cromatina desestabilizando al nucleosoma y alterando el patrón de hPTM, lo cual puede influir en la transcripción de genes, la replicación y reparación de ADN, el empaquetamiento y la segregación.

   Los ARN no codificantes (ncARN) también actúan como reguladores de la maquinaria epigenética. La mayoría de estas moléculas ARN no codifican proteínas pero ejercen una variedad de funciones, incluyendo la regulación de la expresión de genes y la metilación de ADN. Las funciones reguladoras de los ncARN son controladas por modificaciones epitranscriptómicas. Los ncARN se clasifican de acuerdo con su tamaño: los ncARN< 200 nucleótidos son llamados ARN no codificantes cortos (miARN, siARN, piARN), mientras los ncARN> 200 nucleótidos son llamados ARN no codificantes largos (lncARN). El grupo más conocido y más investigado de los ncARN es el de  micro ARN (miARN). Estas moléculas ARN tienen una longitud de 19-24 nucleótidos y reprimen la expresión de genes. Los miARN reconocen 6-7 nucleótidos en la región 5´no transladada (“región semilla”) de sus blancos y guían un complejo silente inducido por ARN (RISC) al mARN blanco. Cuando el miARN está completamente unido con su blanco, actúa como una endonucleasa y degrada al mARN. Sin embargo, en la mayoría de los casos, los miARN  son solo parcialmente complementarios e inhiben la translación por re-locación del complejo  mARN-miARN-RISC para procesar los cuerpos donde ocurre la degradación de mARN. Dado que la región semilla es relativamente corta, un miARN es capaz de regular cientos de genes diferentes. Los miARN también regulan la expresión de otros ncARN. Al presente, más de 1800 potenciales miARN han sido identificados. Los siARN tienen un mecanismo de acción similar, pero difieren de los miARN por la fuente de origen y en la estructura. Los lncARN pueden actuar como precursores de ncARN cortos o regular la expresión de genes en diferentes niveles, principalmente por remodelación de la cromatina. Estudios recientes reportan que los lncARN, a pesar de su nombre, pueden tener una función codificante para péptidos pequeños.

   Los péptidos son moléculas de menos de 50 aminoácidos que ejercen una variedad de funciones en el cuerpo humano y son capaces de modular los mecanismos epigenéticos. Dependiendo del péptido, estos efectos son directos o indirectos por unión a receptores y activación de cascadas de señalización intracelular. En el núcleo, estos péptidos cortos (di, tri y tetrapáptidos) interactúan directamente con el ADN en la región promotora del gen, causando separación de las bandas  e inicio de la transcripción del gen. Si este es el caso, estos péptidos cortos de cuatro o menos aminoácidos pueden ser considerados como una clase separada de reguladores epigenéticos. Otro mecanismo de acción propuesto es la unión de estos péptidos a la región promotora del gen haciéndola inaccesible para las DNMT, lo cual resulta en regiones promotoras no metiladas y activación del gen. En este caso, los péptidos cortos actúan como inhibidores de la metilación del ADN. Estos péptidos cortos pueden ser formados endógenamente por clivaje proteolítico de proteínas nucleares o por síntesis después que ellos penetran las membranas citoplasmática y nuclear. Estos péptidos están involucrados en la regulación epigenética del envejecimiento y pueden tener efectos promotores de la salud como la supresión del incremento relacionado con la edad de la expresión de metaloproteasas de matriz y la apoptosis dependiente de caspasas.

   El amiloide beta (Aβ) es un péptido de 37-43 aminoácidos que forma parte de las placas seniles en la enfermedad de Alzheimer (EA) y reduce la metilación de ADN global pero incrementa la metilación de ADN en la región promotora del gen neprilisina, una enzima responsable de la degradación del Aβ, por tanto, regula a la baja su propia producción. Los oligómeros solubles de Aβ también son capaces de disminuir la captación de cisteína en neuronas humanas causando una disminución de los niveles intracelulares de glutatión, acompañada por una disminución global de metilación de ADN, lo cual puede contribuir a la patología de la EA. En pacientes con síndrome de Down, los niveles plasmáticos aumentados de Aβ y la metilación disminuida de tres CpGs predicen el envejecimiento en adultos. Este hallazgo indica que el Aβ contribuye al envejecimiento acelerado que se observa en los pacientes con síndrome de Down. Entonces, los péptidos endógenos son capaces de regular la expresión de genes y ejercer sus propios efectos selectivamente incrementando o disminuyendo la metilación de ADN.

   Los efectos de los péptidos endógenos no se limitan a la metilación del ADN, también tienen efectos sobre las modificaciones de histonas. El péptido pro-islote humano (HIP) contiene 14 aminoácidos y es usado para el tratamiento de la diabetes porque incrementa la masa de células β y mejora el control de la glucemia. Este péptido promueve la diferenciación de células progenitoras pancreáticas derivadas de feto humano promoviendo la expresión de diferentes factores de transcripción pro-islote a través de la fosforilación e inhibición del factor de transcripción FOXO1. Esta inhibición provoca una reducción de la unión de menina a la región promotora de los factores de transcripción pro-islote y una posterior disminución del reclutamiento de  metiltransferasas H3K9. Entonces, el péptido HIP actúa sobre la metilación de histonas mediante un efecto represivo indirecto en la región promotora de los factores de transcripción pro-islote. Los péptidos endógenos también afectan la expresión de ncARN. El péptido natriurético B (BNP), una hormona cardiaca secretada por el miocardio atrial y ventricular, promueve la apoptosis de células miocárdicas durante el daño por isquemia-reperfusión regulando al alza al lncARN LSINCT5. Este lncARN regula la apoptosis de células miocárdicas a través de la activación de la ruta caspasa-1/IL-1β causando insuficiencia cardiaca crónica. Estos efectos podrían explicar el incremento en el riesgo de mortalidad  después del tratamiento con nesiritide, una forma recombinante del BNP.

   Los péptidos beta-casomorfino-7 (BCM7) y GM7, liberados por digestión hidrolítica de la caseína y la gliadina, respectivamente, disminuyen la captación de cisteína en neuronas y células gastrointestinales a través de la activación de receptores opioides. Esta disminución es acompañada por un incremento en la oxidación de glutatión intracelular y la metilación del ADN en las posiciones +65 a +80 de los sitios de transcripción de genes, lo cual resulta en la regulación a la baja de varios genes de la ruta de transulfuración y el ciclo de metionina. Estos resultados sugieren que los péptidos derivados de la leche y el trigo ejercen efectos antioxidantes importantes durante el desarrollo postnatal por mecanismos epigenéticos.  El BCM7 también promueve la neurogénesis de stem cells neuronales disminuyendo la metilación de ADN global. Por otra parte, el lunasin, un péptido de 43 aminoácidos derivado de la soya, es capaz de inhibir la acetilación de histonas de H3 y H4 y exhibe marcadas actividades anti-cáncer. En su extremo terminal carboxilo, el péptido contiene ocho residuos Asp cargados negativamente que actúan como inhibidores de las acetilaciones de H3 y H4 cargadas positivamente. Esta secuencia es inmediatamente precedida por un dominio Arg-Gli-Asp,  responsable de la adherencia a la matriz extracelular   facilitando la penetración celular del péptido y una estructura α-hélice de 9 aminoácidos que guía y une el lunasin a las proteínas histonas. Recientemente se ha encontrado que este péptido también ejerce efectos beneficiosos en enfermedades neurodegenerativas como la EA.

   Los péptidos derivados de alimentos también ejercen efectos reguladores sobre la transcripción de ncARN. Por ejemplo, en la medicina tradicional china, una mezcla de  péptidos derivados de tortuga modulan la expresión de 101 miARN diferentes en células de cáncer gástrico humano. Muchos de los miARN regulados al alza tienen acciones supresoras de tumor, lo que hace a estos péptidos potenciales blancos terapéuticos. Los efectos de los péptidos derivados de alimentos sobre la epigenética y su posible uso en el tratamiento de enfermedades hacen que estos productos sean tema de discusión acerca de si deben ser considerados alimentos funcionales o productos medicinales (también llamados productos “borderline”). Si un producto con péptidos epigenéticos bioactivos es clasificado como producto medicinal o producto alimenticio depende de características como composición, efecto farmacológico, manera de uso, dosis, distribución y familiaridad con los riesgos de los consumidores.

   Los péptidos con efectos epigenéticos también se pueden encontrar en el ambiente y son producidos principalmente por especies microbianas. La romidepsina, un producto de la fermentación de Chromobacterium violaceum, es la primera droga basada en péptido con efectos epigenéticos aprobada por la FDA. Se trata de un inhibidor de HDAC (HDACi) de amplio espectro, pero activo principalmente contra la clase 1 de HDAC. En la célula, el enlace disulfuro del péptido es reducido liberando tiol en el proceso. Este tiol interactúa con atomos de zinc en el sitio de la HDAC dependiente de zinc, inhibiendo, por tanto, su actividad. Otros depsipéptidos como espiruchostatinas (A, B y C), FR901375, largazole, plitidepsina, burkholdacs (A y B) y tailandepsina B pertenecen al mismo grupo de romidepsina y tienen mecanismos similares. Las espiruchostatinas, las burkholdacs y tailandepsina B se originan a partir de la bacteria Burkholderia thailandensis. Los compuestos burkholdacs difieren de las espiruchostatinas por la sustitución de metionina por alanina. FR901375 y largazole son estructuralmente relacionados con la romidepsina y producidos a partir de la fermentación de Pseudomonas chlororaphis y la cianobacteria marina Symploca sp, respectivamente. La plitidepsina es un depsipéptido cíclico que se origina a partir de la Aplidium albicans con efectos sobre células cancerosas que resultan en la detención del ciclo celular, la inhibición del crecimiento y la inducción de apoptosis por diferentes rutas.

   Una segunda clase de péptidos HDACi son los tetrapéptidos cíclicos, a la cual pertenecen la chlamidocina, la apicidina, el FR235222, las  microsporinas (A y B), las azumamides (A-E) y la trapoxina A. La chlamidocina es un metabolito micótico con alta potencia como HDACi que induce hiperacetilación de histonas H3 y H4 que resulta en detención del ciclo celular G2/M e inducción de apoptosis por activación de la caspasa-3.   Adicionalmente, la chlamidocina regula a la baja a la survivina, un inhibidor de la apoptosis expresado selectivamente en los tumores. Las microsporinas A y B son aisladas del hongo marino Microsporum gypseum y junto con las azumamides A-E derivadas de la esponja Mycale izuensi, son los primeros tetrapéptidos cíclicos aislados  de especies marinas con acción inhibidora contra HDAC.  El FR235222 es un metabolito aislado del hongo Acremoniun sp que muestra actividades inmunosupresoras, capaces de inhibir la proliferación de células T y la producción de linfoquinas a través de la inhibición de desacetilsas de histonas. La trapoxina A es aislada del hongo parasito Helicoma ambiens y muestra actividad inhibidora de HDAC. La apicidina es estructuralmente análoga a la trapoxina A, también muestra actividad inhibidora de HDAC y tiene efectos similares a los de la chlamidocina.

   La desmetilasa específica de L-lisina 1 (LSD1) es una enzima remodeladora de cromatina que remueve grupos metilos de la lisina en posición 4 de la histona H3. Esta enzima juega un rol importante en el cáncer y su sobre expresión resulta en el silenciamiento de genes supresores de tumor. Actualmente se encuentran bajo investigación clínica en humanos  diferentes inhibidores basados en péptidos; estos péptidos son análogos de la región de la H3 que es sustrato de la LSD1y actúan como antagonistas de la LSD1. Por otra parte, la EZH2 es una metiltransferasa de histona que cataliza la di y trimetilación de la lisina en posición 27 de la H3 y está relacionada con la represión de genes. La sobre expresión de esta enzima se ha correlacionado con varios tipos de canceres debido al silencio epigenético de importantes genes supresores de tumor. Los péptidos sintéticos también interactúan con miARN inhibiendo su maduración, lo cual resulta en la supresión de la formación de miARN y la regulación al alza de los genes blancos de miARN. Por ejemplo, el LK-LIC/K6W/L8C es un péptido ampifílico que se une al asa terminal del pre-miR29b, el cual madura a miR29b e induce apoptosis de células cancerosas. Los estudios indican que los péptidos sintéticos pueden promover o inhibir la maduración mediada por Dicer (la enzima responsable de la maduración de miARN) de pre-miARN a miARN maduro y, por tanto, regulan al alza importantes genes supresores de tumor o regular a la baja oncogenes que son sobre expresados en muchos canceres.

   Los péptidos pueden tener un efecto sobre múltiples aspectos de la regulación epigenética. Sin embargo, la expresión de péptidos endógenos también es regulada por mecanismos epigenéticos. Por ejemplo, durante la suspensión de fumado de cigarrillo o de consumo de alcohol, la expresión de péptidos natriuréticos y vasopresina es regulada por patrones cambiantes de metilación de ADN en las regiones promotoras de los péptidos. Por otra parte, en el cáncer, los mecanismos epigenéticos son responsables de la expresión de péptidos específicos de cáncer. Asimismo, las HDAC son capaces de regular a la baja la expresión de péptidos antimicrobianos.  

   En conclusión, péptidos de diferentes fuentes (endógenos, derivados de alimentos, ambientales y sintéticos) son capaces de influir en varios aspectos de la regulación epigenética. Los péptidos cortos endógenos pueden bloquear la metilación de ADN y por consiguiente regula la expresión de genes. Los péptidos que entran al cuerpo por digestión de proteínas relacionadas con los alimentos pueden regular la metilación de ADN y/o la acetilación de histonas mientras los péptidos ambientales, sintetizados por bacterias, hongos y esponjas marinas, principalmente inhiben la desacetilación de histonas. Por otra parte, los péptidos sintéticos pueden revertir o inhibir diferentes modificaciones epigenéticas de histonas. Los péptidos también pueden influir en la expresión de ncARN, como lncARN, y la maduración de miARN.

Fuente: Janssens Y et al (2019). Peptides as epigenetics modulators: therapeutic implications. Clinical Epigenetics 11:101.