Prueban fármacos que modulan la expresión génica en un modelo de diabetes

En busca de nuevos tratamientos contra la enfermedad, científicos investigan el efecto de sustancias tales como el ácido valproico y la tricostatina en cultivos celulares

Por Karina Toledo  |  Agência FAPESP – En el origen de enfermedades complejas y multifactoriales tales como el cáncer, el Alzheimer o la diabetes, en general puede encontrarse una combinación de factores genéticos y ambientales. Estudios han demostraron que hábitos de alimentación y de actividad física, como así también de exposición a toxinas y patógenos, pueden alterar la forma de expresión de los genes –sin causar alteraciones en la estructura del ADN– y dejar al organismo más protegido o más predispuesto a desarrollar una determinada patología.

Las denominadas modificaciones epigenéticas –un conjunto de procesos bioquímicos disparados por estímulos ambientales que moldean el funcionamiento del genoma y, por consiguiente, el perfil fenotípico, mediante la activación o la desactivación de genes– constituyeron el tema del Proyecto Temático intitulado “La estructura y la organización de la cromatina con el envejecimiento y la diabetes ante alteraciones inducidas en marcadores epigenéticos”, coordinado por la profesora Maria Luiza Silveira Mello en el Instituto de Biología (IB) de la Universidad de Campinas (Unicamp). La investigación sobre el uso de algunas drogas moduladoras epigenéticas en el tratamiento de la diabetes se lleva adelante en el marco del doctorado de Marina Barreto Felisbino, vinculado al mencionado proyecto, y cuenta con Beca de la FAPESP.

Entre los mecanismos epigenéticos conocidos se encuentran la metilación del ADN –que ocurre cuando se agrega un grupo metilo (formado de partículas de hidrógeno y carbono) a la base citosina del ADN– y la modificación de histonas, relacionada con la adición o sustracción de grupos acetilo (carbono, oxígeno e hidrógeno) y metilo (carbono e hidrógeno) a los aminoácidos que forman esas proteínas existentes en el núcleo de las células.

Se cree que, así como esos procesos bioquímicos pueden estar implicados en la causa de una enfermedad, también pueden formar parte de la cura. A partir de este supuesto, diversos grupos de investigación han venido testeando –aún en forma preliminar– el efecto de fármacos capaces de inducir modificaciones epigenéticas en el tratamiento de patologías complejas.

“Existen evidencias de que la metilación del ADN y las modificaciones de histonas regulan las vías relacionadas con el metabolismo de la glucosa y de la insulina. En una situación de hiperglucemia, esas marcas epigenéticas se encuentran desreguladas. Nuestra hipótesis indica que, con una droga moduladora epigenética, podemos hacerlas volver al estado normal”, dijo Barreto Felisbino.

Según la explicación de Silveira Mello, la línea de investigación de Barreto Felisbino tiene por objeto testear la utilidad de drogas tales como el ácido valproico y la tricostatina, capaces de inhibir la acción de una enzima encargada de remover radicales acetilo enlazados a las proteínas histonas (histonas deacetilasas), en el tratamiento del diabetes.

Para simular las condiciones de la enfermedad in vitro, el grupo ha utilizado un linaje de hepatocitos (células del hígado) en un medio de cultivo con alta concentración de glucosa (hiperglucemia).

“Decidimos emplear como modelo células del hígado porque es un órgano clave en el metabolismo. Normalmente, el hígado libera glucosa en el torrente sanguíneo sólo en condiciones de restricción de nutrientes. Pero la resistencia o la deficiencia de insulina puede provocar un aumento de esa producción de glucosa hepática, y esto constituye un evento central en el desarrollo y en el avance de la diabetes”, explicó Silveira Mello.

Uno de los objetivos del estudio consistía en entender de qué manera la cromatina (una estructura existente en el núcleo celular formada por el ADN y por proteínas histónicas y no histónicas) de los hepatocitos responde tanto a una situación de hiperglucemia como a la exposición a inhibidores de las enzimas histonas deacetilasas.

“Este conocimiento nos permite entender las consecuencias de un tratamiento en el cual se haga uso de drogas tales como el ácido valproico. Éste ha sido ampliamente utilizado en el tratamiento de ataques epilépticos y, más recientemente, se ha descrito su papel como agente inhibidor de histonas deacetilasas”, comentó Silveira Mello.

Se realizó entonces un primer experimento para observar si la hiperglucemia por si sola inducia modificaciones en la cromatina de los hepatocitos, sin ninguna interferencia de drogas moduladoras. Según Barreto Felisbino, la cromatina constituyó el blanco principal del análisis debido a que es “el escenario del control epigenético”.

El grupo comparó células cultivadas en un medio normoglucémico (con niveles normales de glucosa) con células en medio hiperglucémico, y analizó –mediante microscopía confocal y software de análisis de imágenes– parámetros tales como el área, el perímetro, la densidad y la compactación del núcleo. También se evaluó –mediante citometría de flujo– la abundancia de determinadas modificaciones de histonas ya registradas en estudios anteriores como relevantes en la modulación de la expresión génica.

“Algunas modificaciones de histonas son clásicas y su papel ya se ha dilucidado claramente. Un ejemplo: la H3K9-acetilada, que en general está relacionada con una cromatina más abierta y más activa. Es decir, está asociada a un aumento de la expresión génica. En tanto, la H3K9-dimetilada está relacionada con una cromatina más cerrada, más compacta y, consiguiente, con una reducción de la expresión génica”, explicó Barreto Felisbino.

Los resultados de este primer ensayo indicaron que la hiperglucemia hace que la cromatina se vuelva menos compacta y más propensa a la expresión génica. En este primer momento, el análisis no se concentró en genes específicos o, en otras palabras: se analizó la expresión en forma global.

El paso siguiente consistió en tratar a los hepatocitos en medio normoglucémico y en emdio hiperglucémico con las drogas ácido valproico y tricostatina. Debido a que éstas inhiben la acción de la enzima que remueve el grupo acetilo de las histonas, están relacionadas con un aumento de la acetilación de esas proteínas y, por ende, con una descompresión de la cromatina y con un incremento de la expresión génica.

“En las células en normoglucemia, actuaron efectivamente de esa forma, al agrandar el tamaño del núcleo y la abundancia de las marcas epigenéticas asociadas con una cromatina más descomprimida y activa. Creíamos que en las células en medio hiperglucémico ese efecto se vería aún más acentuado, pero no fue eso lo que observamos. Prácticamente no hubo diferencia estadística en la comparación de ambos cultivos”, comentó Barreto Felisbino.

Para profundizar los análisis

Por lo tanto, desde el punto de vista morfológico, tanto la hiperglucemia como el tratamiento con los inhibidores de histonas deacetilasas indujeron modificaciones similares en la cromatina de los hepatocitos. Sin embargo, según explicó Barreto Felisbino, esto no significa que ambas condiciones hayan incrementado la expresión génica de la misma manera. Los genes modificados pueden haber sido distintos.

“Vimos un ejemplo en el cual esa modulación fue distinta al analizar la expresión del gen de una enzima llamada metiltransferasa de ADN, encargada de catalizar la transferencia de radicales metilo al ADN. El ácido valproico llevó a la disminución de la expresión de esa enzima, en tanto que la hiperglucemia no alteró nada”, comentó la investigadora.

Dicho dato, según Barreto Felisbino, sugiere que en las células tratadas con ácido valproico el nivel de metilación del ADN podría encontrarse reducido. Ésta es también una modificación epigenética y está relacionada con la disminución de la expresión génica. “Es tan sólo un indicio. Para estar seguros, sería necesario evaluar toda la cascada de enzimas implicadas en ese proceso de metilación del ADN”, sostuvo.

Los resultados de estos primeros experimentos se dieron a conocer en un artículo publicado en Journal of Cellular Physiology.

En una nueva etapa de la investigación, Barreto Felisbino está estudiando el efecto de la remodelación cromatínica inducida por el ácido valproico en cada uno de los genes codificadores de proteínas existentes en el genoma humano.

“Analizaremos gen por gen el nivel de esas modificaciones de histonas y veremos si ha aumentado o disminuido la expresión. El objetivo consiste en detectar vías claves que se alteran y delinear el mecanismo de acción de esas drogas”, comentó.

La parte de recabado de datos se ha concretado, merced al apoyo de una Beca de Pasantía de Investigación en el Exterior. Dicha pasantía se realizó en el Baker IDI Heart & Diabetes Institute, en Australia.

“Ahora estoy analizando los datos, que es la parte más lenta. Luego de que identifiquemos el mecanismo de acción, lo pondremos a prueba en cultivos de células y en ratones”, comentó.

Silveira Mello subrayó que aunque el ácido valproico es bastante utilizado en la clínica, aún no se conocen los posibles efectos colaterales que pueden desencadenarse en tratamientos más largos y con dosis elevadas de esta sustancia.

“Con todo, la FDA [Food and Drug Administration, la agencia estadounidense de control sanitario] autorizó su uso en condiciones controladas como inhibidor de la proliferación celular en el tratamiento de algunos tipos de tumores”, comentó.

La tricostatina también se está utilizando en humanos en forma experimental, en el tratamiento del cáncer y en la prevención de partos prematuros.