Humanina, estrés oxidativo y enfermedades cardiovasculares

El estrés oxidativo está involucrado en la patogénesis de enfermedades cardiovasculares  relacionadas con la edad (ECVE) como ateroesclerosis, infarto de miocardio e insuficiencia cardiaca, contribuyendo a la apoptosis, hipertrofia y fibrosis. La fosforilación oxidativa en las mitocondrias es la principal fuente de especies reactivas de oxígeno (ROS). El incremento en los niveles de ROS destruye el balance dinámico entre los sistemas oxidativo y antioxidante, provocando daño por estrés oxidativo.

   La humanina (HN) es un péptido endógeno activo codificado por el ADN mitocondrial. Los resultados de estudios recientes demuestran que la HN está relacionado con las ECVE: (1) el nivel de HN en suero se correlaciona negativamente con la edad. (2) La HN reduce el daño por estrés oxidativo inducido por H₂O₂ en células del miocardio promoviendo la expresión de proteínas del sistema de defensa antioxidante e inhibiendo la actividad de los complejos I y III de la cadena transportadora de electrones. (3) La HN reduce la producción de ROS protegiendo a las células endoteliales contra el daño por estrés oxidativo inducido por el metabolismo anormal de glucolípidos. (4) La HN restaura la autofagia mediada por chaperona (AMC) regulando a la proteína de shock térmico 90 (Hsp90) y disminuyendo la producción de ROS, lo cual protege a cardiomiocitos y fibroblastos del daño por estrés oxidativo. (5) La HN regula al alza la expresión de enzimas antioxidantes, preservando la función cardiaca después de infarto de miocardio, reduciendo la muerte celular y el área de infarto.

   El ADN mitocondrial codifica péptidos derivados de mitocondrias  (PDM), incluyendo HN, ORF mitocondrial de doce Sc (MOTS-c) y pequeños péptidos similares a humanina 1-6. La HN fue descubierta en pacientes con enfermedad de Alzheimer (EA). La HN suprime la muerte de neuronas sugiriendo que puede ser un candidato a droga para EA. La HN es transcripta a partir de un ARN ribosomal mitocondrial 16S en el citoplasma, generando un péptido de 24 aminoácidos. Sin embargo, el mARN de HN es traducido en un péptido de 21 aminoácidos en la mitocondria sin los últimos tres aminoácidos de la HN citoplasmática. Ambas variantes contienen los aminoácidos básicos en N-terminal y C-terminal con similares funciones. La HN media una variedad de rutas de señalización intracelulares y extracelulares y ha sido involucrada en múltiples funciones protectoras.   Por ejemplo, inhibe la translocación de proteínas pro-apoptosis como Bax, Bid y tBid en las mitocondrias uniéndose a ellas. Más aún, la HN suprime la liberación de citocromo C y la formación de cuerpos apoptóticos  y, por tanto, inhibe la apoptosis dependiente de mitocondria.

   El aparato de Golgi y el retículo endoplásmico son requeridos para la liberación de HN. La HN liberada se une a dos clases de receptores en la membrana celular, el trímero compuesto por CNTFR, WSX-1 y gp130, y la proteína similar al receptor del péptido formil 1 (FPRL1). Después de la unión al receptor trímero, la HN activa: (1) la proteína quinasa activada por AMP (AMPK), suprimiendo las rutas de señalización del blanco de rapamicina de mamíferos (mTOR) y factor nuclear kappa B (NF-κB) y (2) la ruta de señalización fosfoinositido 3-quinasa (PI3K)/protína quinasa B (AKT)-Janus quinasa 2 (JAK2)/transductor de señal y activador de transcripción 3 (STAT3);  (3) la HN inhibe las rutas de señalización c-jun NH2 terminal quinasa (JNK)/p38 proteína quinasa activada por mitogeno (MAPK), protegiendo las funciones celulares y mitocondriales. Más aún, la HN activa al receptor FPRL1 y las quinasas reguladas por señal extracelular (ERK1/2). La HN tiene muchas funciones protectoras, como anti-envejecimiento, inhibición de la fibrosis en el miocardio, regulación de la homeostasis mitocondrial, anti-inflamación, regulación del sistema redox y promoción de la autofagia. La HN promueve la biogénesis mitocondrial y disminuye la expresión del factor de necrosis tumoral alfa (TNFα), interleuquina (IL)-1β e IL-6 para inhibir la inflamación. Adicionalmente, la HN tiene potencial en el tratamiento de la diabetes mejorando la supervivencia de células β, promoviendo la secreción de insulina y disminuyendo la resistencia a la insulina.

   El estrés oxidativo contribuye al daño por isquemia-reperfusión. La expresión de HN aumenta después del daño por isquemia-reperfusión en ratones, indicando la asociación de la expresión de HN con el estrés oxidativo. Los niveles de HN en sangre periférica son regulados por el factor de crecimiento similar a insulina 1 (IGF-1) y la proteína de unión a IGF (IGFBP). La IGFBP-3 es el principal componente de las IGFBP en sangre periférica, con alta afinidad por la HN. La IGFBP-3 puede transportar HN a través de la barrera hematoencefálica para reducir la producción de ROS y proteger a las células nerviosas. La hormona de crecimiento regula a la baja los niveles de HN en sangre periférica a través de la alta expresión de IGF-1. Los estresores mitocondriales como drogas quimioterapéuticas pueden incrementar la expresión de HN. Por el contrario, los factores anti-apoptosis disminuyen la expresión de HN. Por tanto, en condiciones de estrés oxidativo, los niveles de HN pueden ser regulados incrementando los niveles de IGFBP-3 o inhibiendo los niveles de IGF-1.

   La HN promueve la expresión de enzimas antioxidantes que inhiben la producción de ROS, a través de rutas intracelulares y/o extracelulares. A nivel intracelular, (1) la HN protege la función mitocondrial inhibiendo los complejos I y III de la cadena transportadora de electrones y disminuyendo la producción de ROS; (2) la HN activa la ruta de señalización proteína asociada ECH similar a Kelch 1 (Keap1)/factor 2 relacionado con el factor nuclear eritroide 2 (Nrf2) y la expresión de elementos de estrés antioxidantes de genes nucleares a través de la transducción de señal reversa entre mitocondria y núcleo; (3) la HN activa la AMC regulando a la proteína de shock térmico Hsp90 y disminuyendo la producción de ROS, promoviendo la absorción de productos de oxidación y reduciendo la producción de ROS. A nivel extracelular, la HN se une a receptores en la membrana celular disparando rutas de señalización, como JNK/p38 MAPK, AMPK y PI3K/AKT-JAK2/STAT3 promoviendo, por tanto, la autofagia, reducción de la producción de ROS y protegiendo la función celular y mitocondrial.

   El Nrf2 es un regulador de la transcripción sensible a redox que se encuentra en varios tipos de células. En condiciones fisiológicas, la Keap1 promueve la ubiquitinización y degradación proteasomal de Nrf2. En el estrés oxidativo, la conformación de Keap1 cambia por modificación de cisteína sulfidril. Más aún, la degradación autofágica de Keap1 es promovida por proteínas relacionadas con la autofagia, incrementando los niveles de Nrf2 libre en el citoplasma. El Nrf2, después de ser transferido al núcleo, se une a elementos de respuesta antioxidantes aumentando la expresión de genes antioxidantes. El incremento en la edad está asociado con disminución de la estabilidad de Nrf2 y reducción de la capacidad antioxidante en el estrés oxidativo. En condiciones fisiológicas, el N-terminal del factor activador de la transcripción  asociado con estrés 1 (ATFS1)/factor activador de la transcripción 5 (ATF5), el cual es un blanco  de señal mitocondrial, media eficientemente la importación de ATF5 en la mitocondria. Por el contrario, la eficiencia mitocondrial de importación de ATF5 disminuye en el estrés oxidativo. El C-terminal de ATSF-1/ATF5 actúa como señal de localización nuclear, aumentando la importación de ATSF-1/ATF5 en el núcleo, lo cual promueve la expresión de genes de enzimas antioxidantes en el núcleo, la síntesis de polipéptidos mitocondriales y la recuperación de la función  mitocondrial.

   La autofagia depende del catabolismo lisosomal, el cual es uno de los procesos de degradación para productos del estrés oxidativo. La autofagia se clasifica en macroautofagia, microautofagia y AMC. En la AMC, la chaperona citoplasmática de shock térmico de 70 kDa (HSC70) está involucrada en el reconocimiento de proteínas que contienen un dominio pentapéptido,  formando un complejo sustrato-chaperona. Este complejo es reconocido por  la proteína de membrana asociada a lisosoma tipo 2A (LAMP-2A) contribuyendo a la transformación de LAMP-2 simple en un complejo multimérico de translocación. La HSP90 en el lado citoplasmático de la membrana lisosomal facilita la unión del sustrato, aumentando la estabilidad de LAMP-2A en la transformación de la forma monomérica en multimérica. La chaperona luminal, Lis-HSC70, contribuye al manejo de sustratos en los lisosomas después de la formación del complejo de translocación. El estrés oxidativo y la hipoxia son los estimuladores clásicos de la activación de la AMC inducida por oxidación  que remueve proteínas oxidadas para restaurar la homeostasis celular. La alteración de AMC provoca la acumulación de productos oxidativos, incrementando el daño por estrés oxidativo. Sin embargo, la función de la AMC disminuye con la edad, sugiriendo una asociación negativa entre envejecimiento y capacidad antioxidante.

   La HN es un activador endógeno de la AMC de una manera dosis-dependiente. Cuando el estrés oxidativo es inducido, la HSC70 reconoce la proteína oxidada (sustrato), la transporta a la membrana lisosomal y la une al receptor LAMP-2A en la membrana lisosomal. La HN endógena localizada en el lado citoplasmático de la membrana lisosomal estabiliza la unión del sustrato y el lisosoma a través  de la Hsp90. Con la ayuda de Lis-HSC70, el sustrato es transportado al cuerpo lisosomal y la proteína oxidada es removida para mantener la estabilidad celular, reduciendo, por tanto, el daño celular causado por el estrés oxidativo. La catepsina D también está implicada en la degradación autofágica. La catepsina D como un inhibidor de la restricción lisosomal intracelular es una proteasa y catepsina. La Gli-14 HN restaura la actividad de catepsina D a través de FPLR-1, promueve la degradación autofágica de lipoproteínas de baja densidad oxidadas (ox-LDL) en células endoteliales, reduce el daño por estrés  oxidativo inducido por ox-LDL en las células endoteliales y disminuye la acumulación de lípidos y colesterol en las células endoteliales.

   La HN tiene efectos protectores contra una variedad de enfermedades cardiovasculares, incluyendo ateroesclerosis, infarto de miocardio, daño miocárdico por isquemia-reperfusión y envejecimiento miocárdico. La ateroesclerosis es una enfermedad relacionada con la edad. La disfunción endotelial contribuye a la ateroesclerosis y la HN mejora la disfunción endotelial a través de la antioxidación porque: (1) la HN inhibe a la NOX3 disminuyendo la producción mitocondrial de ROS; (2) el inflamasoma NLRP3 activado por ROS mitocondriales provoca daño endotelial, pero la HN inhibe la activación del inflamasoma NLRP3 activando la AMPK. La hipercolesterolemia está involucrada en la ateroesclerosis porque la ox-LDL infiltra el subendotelio para formar placas ateroscleróticas después del daño de las células endoteliales. Sin embargo, la HN previene la progresión  de placas ateroescleróticas en ratones hipercolesterolémicos con deficiencia de alipopoproteína E (APOE) reduciendo el nivel de nitrotirosina (NT) e incrementando la expresión de la sintetasa de óxido nítrico endotelial (eNOS). La ox-LDL es formada por la oxidación de LDL relacionada con ROS y promueve la formación y progresión de placas ateroescleróticas incrementando la acumulación de lípidos y colesterol. La ox-LDL incrementa la expresión de p62 y LCRII e inhibe la función de la catepsina D. La HN inhibe la acumulación de lípidos y colesterol  inducida por ox-LDL disminuyendo los niveles de p62 y LCRII y restaurando la función de la catepsina D, reduciendo por tanto la formación de placas ateroescleróticas. La lipoproteína de baja densidad oxidada similar a lectina 1 (LOX-1) es el principal receptor involucrado en la absorción de ox-LDL por las células endoteliales. La LOX-1 media la unión,  internalización y la degradación proteolítica de ox-LDL por las células endoteliales.

   Los altos niveles de glucosa también están implicados en la ateroesclerosis, provocando disfunción endotelial. Los altos niveles de glucosa incrementan la producción de ROS, la expresión de factores pro-inflamatorios (TNF-α e IL-1β) e inducen en  las células endoteliales la producción de molécula de adhesión a la célula vascular 1 (VCAM1) y E-selectina  que median la adhesión de leucocitos circulantes al endotelio, provocando el desarrollo de ateroesclerosis. El factor similar a Kruppel 2 (KLF2) está involucrado en la disfunción endotelial inducida por altos niveles de glucosa. La HN regula al alza la expresión del gen KLF2, inhibiendo la adhesión de monocitos a las células endoteliales.

   El estrés oxidativo está involucrado en la patogénesis del infarto de miocardio agudo y el daño por isquemia-reperfusión. La HN protege a los cardiomiocitos de la apoptosis a través de la ruta antioxidante, reduciendo el tamaño del infarto de miocardio y mejorando la función cardiaca. La HN también reduce el área de necrosis del infarto de miocardio y mejora la función cardiaca después del infarto a través de la reducción de la producción de ROS, lo cual protege la función de las mitocondrias miocárdicas. Por otra parte, la HN incrementa los niveles de GSH, GPX y SOD revirtiendo el daño por isquemia-reperfusión en el miocardio. La HN regula al alza la ruta Akt/glucógeno sintetasa quinasa-3β e inhibe la fibrosis en ratones envejecidos. Nrf2 y Keap1 son necesarios para incrementar la expresión de SOD, CAT, GPX y GSH. La HN puede promover la activación de Nrf2 inhibiendo la expresión de Keap1 durante el infarto de miocardio. Adicionalmente, el nivel de HN en pacientes con enfermedad cardiaca coronaria disminuye y el nivel de ácido láctico aumenta, sugiriendo que el efecto protector de la HN en el sistema cardiovascular es a través del efecto antioxidante. La HN se correlaciona positivamente con la función endotelial de las arterias coronarias. La insuficiencia cardiaca es la complicación más común del infarto de miocardio. La HN disminuye la tasa de incidencia de insuficiencia cardiaca inhibiendo la hipertrofia miocárdica. La deficiencia de endonucleasa G induce hipertrofia de los cardiomiocitos a través del incremento en la producción de ROS. La HN inhibe la hipertrofia de cardiomiocitos inducida por la deficiencia de endonucleasa G.

   La HN reduce el estrés oxidativo a través de varias rutas de señalización que interactúan una con otra y forman una red que está relacionada con las ECVE. Un estudio reciente reporta que la deficiencia de Nrf2 provoca envejecimiento del endotelio aórtico en humanos  y ratones. El proceso de envejecimiento está relacionado con la autofagia. La regulación al alza de Nrf2 por inhibición de Keap 1 activa la autofagia e inhibe el envejecimiento. Más aún, la regulación al alza de Keap 1 y la inhibición de Nrf2 provoca daño por estrés oxidativo y envejecimiento de las células de músculo liso vascular. El Nrf2 inhibe la fosforilación de JNK, estabiliza la integridad funcional mitocondrial y reduce el daño por estrés oxidativo. Por otra parte, la activación de AMPK induce la autofagia, inhibe el envejecimiento de cardiomiocitos y protege al miocardio del estrés oxidativo. La AMPK activa la autofagia a través de la inhibición de mTOR o UKL1 fosforilado, mientras activa al Nrf2 y protege al miocardio del estrés  oxidativo inducido por altos niveles de glucosa. La AMPK también reduce el daño por estrés oxidativo activando la ruta AKT2/Nrf2. La activación de la ruta PI3K/AKT por la AMPK protege al miocardio del daño por isquemia-reperfusión. Adicionalmente, la activación de la ruta de señalización JAK2/STAT3 inhibe la remodelación ventricular después de infarto de miocardio y protege al corazón del daño por isquemia-reperfusión. La ruta JAK2/STAT3 también inhibe la apoptosis de cardiomiocitos activando la autofagia. La JNK es el regulador de la ruta JAK2/STAT3. La inhibición de JNK activa la ruta JAK2/STAT3 y protege al  miocardio del estrés oxidativo inducido por altos niveles de ácidos grasos libres. La regulación al alza de la ruta p38 MAPK/JNK promueve la translocación de NF-κB al núcleo, induce envejecimiento y agrava el daño miocárdico. La inhibición de p38 MAPK y la fosforilación de JNK protegen al corazón del daño por estrés oxidativo en ratas envejecidas. La ruta PI3K/AKT inhibe a mTOR y protege al miocardio del estrés oxidativo.

   En conclusión, el estrés oxidativo está involucrado en la patogénesis de  ECVE como ateroesclerosis, infarto de miocardio e insuficiencia cardiaca contribuyendo a la apoptosis, hipertrofia y fibrosis. La fosforilación oxidativa en las mitocondrias es la principal fuente de ROS. La evidencia reciente demuestra la relación entre ECVE y HN, un péptido endógeno codificado por ADN mitocondrial. La HN protege a cardiomiocitos, células endoteliales y fibroblastos del estrés oxidativo y, por tanto, tiene un rol protector en ateroesclerosis, daño por isquemia-reperfusión e insuficiencia cardiaca. Las rutas de señalización relacionadas con los efectos de la HN incluyen Keap1/Nrf2, AMC, JNK/p38 MAPK, AMPK y PI3K/JAK2/STAT3. La HN puede ser una droga candidata para el tratamiento de ECVE reduciendo el estrés oxidativo.

Fuente: Cai H et al (2021). Protective mechanism of humanin against oxidative stress in aging-related cardiovascular diseases. Frontiers in Endocrinology 12:683151.