Nutrigenómica. Regulaciónde La Expresión Génica Mediadapor Nutrientes

1.31. Nutrigenómica. Regulación de la expresión génica mediada por nutrientes y otros componentes alimentarios

Ángel Gil Hernández Óscar Constantino Chagoyán Thompson

Capítulo 1.31. Nutrigenómica. Regulación de la expresión génica mediada por nutrientes y otros componentes alimentarios 1. Introducción 2. Nutrigenómica

2.1. Interacciones entre dieta, genoma y salud 2.2. Inuencia de los componentes de la dieta sobre la expresión génica 2.3. Herramientas de la Nutrigenómica 3. Regulación de la expresión génica por hidrat hidratos os de carbono carbon o

3.1. Enzimas hidrolíticas 3.2. Transportadores de glucosa 3.3. Insulina 3.4. Genes metabólicos 3.4.1. Metabolitos señal 3.4.2. Secuencias cis y factores trans involucrados en la respuesta a la glucosa 3.4.3. L-piruvato kinasa 3.4.4. Acetil-CoA carboxilasa 3.4.5. Glucosa-6-fosfatasa 4. Regulación de la expresión expresión génica por lípidos 5. Regulación de la expresión génica por aminoácidos y otros compuestos nitrogenados

5.1. Aminoácidos 5.1.1. Gen CHOP 5.1.2. Gen de la asparragina sintetasa (AS) (AS) 5.1.3. Control del inicio de la traducción por la biodisponibilidad de aminoácidos 5.1.4. Regulación de la expresión de factores de crecimiento por aminoácidos y otros nutrientes 5.2. Compuestos nitrogenados no proteicos 5.2.1. Poliaminas 5.2.2. Nucleótidos 6. Regulación de la expresión génica por por vitaminas y minerales miner ales

6.1. Vitaminas 6.2. Minerales

7. Regulación de la expresión génica por otros componentes compone ntes alimentarios alime ntarios

7.1. Factores proteicos de la leche humana 7.2. Isoavonas 7.3. Esngolípidos 8. Resumen 9. Bibliografía 10. Enlace Enlacess web

Objetivos

n

Caracterizar los mecanismos moleculares por los que los nutrientes influyen sobre la expresión de los genes en el ser humano.

n

Dar a conocer el nuevo concepto de nutriente desde el punto de vista de la Nutrigenómica.

n

Identificar las herramientas que utiliza la Nutrigenómica para caracterizar la interacción nutrientegenoma a diferentes niveles.

n

Conocer los fundamentos de la regulación génica mediada por glucosa.

n

Identificar los principales genes glucolíticos y lipogénicos cuya expresión se modula por la glucosa.

n

Comprender los mecanismos moleculares por los que los lípidos modulan la expresión génica.

n

Conocer los principales genes involucrados en la regulación de la expresión génica por los aminoácidos.

n

Entender las bases por las que diferentes compuestos nitrogenados de naturaleza no proteica, como los nucleótidos de la dieta y las poliaminas, regulan regulan la expresión de numerosos genes.

n

Identificar los principales genes cuya actividad se regula por vitaminas y minerales.

1. Introducción

L

as diferencias fenotípicas que distinguen a los distintos tipos celulares en los seres vivos superiores se deben en gran medida a la expresión diferencial de numerosos genes que codican proteínas. La expresión génica puede estar regulada en una serie de pasos secuenciales que incluyen al menos cinco puntos de control: activación de la estructura génica, iniciación de la transcripción, procesamiento del RNA transcrito de forma primaria en el núcleo, transporte del RNA al citoplasma y traducción del RNA en la proteína correspondiente (ver Capítulo 1.7 ). Tradicionalmente se ha asumido que la expresión de genes en los eucariotas no estaba inuenciada directamente por los nutrientes, sino por la acción de hormonas, factores de crecimiento y citokinas. Sin embargo, la dieta representa un potente mecanismo para modicar el ambiente celular de numerosos órganos. Así, durante los últimos años se han encontrado numerosas evidencias de que los cambios ambientales provocados por los nutrientes y otros componentes de los alimentos en el entorno celular modican la expresión de numerosos genes. Este hecho abre la perspectiva de modicar la expresión génica, tanto en sujetos sanos como enfermos, a través de la manipulación de la dieta. No obstante, es preciso aclarar que, aunque la modulación directa de la expresión génica por nutrientes es un hecho incontrovertible, la inuencia principal de los nutrientes sobre el genoma se lleva a cabo a través de la acción de las hormonas, factores de crecimiento y citokinas. En las bacterias y en las levaduras es bien conocido que los nutrientes modican la expresión génica. Por ejemplo, la adición de lactosa al medio de cultivo de E. coli da lugar a la inducción de las proteínas de transporte e hidrólisis de la lactosa por aumento de la expresión del operón lac . Sin embargo, en los seres superiores los mecanismos de la expresión génica son mucho más complejos y se necesita identicar qué genes responden directamente a nutrientes especícos o a otros componentes de los alimentos. La Nutrigenómica es la ciencia que explica los mecanismos moleculares por los que los componentes de los alimentos, tanto nutrientes como otros compuestos químicos, afectan a la salud de los individuos a través de la alteración de la expresión de genes o de su estructura. Tanto los nutrientes mayoritarios (glucosa, aminoácidos y ácidos grasos) como los minoritarios (vitaminas y minerales) participan de forma concertada con muchas hormonas en la regulación de la expresión génica en respuesta a cambios nutricionales. Asimismo, otros componentes de los alimentos, tanto abióticos (carotenoides, compuestos fenólicos, contaminantes ambientales, aditivos, etc.), como bióticos 1041

Capítulo 1.31.

Nutrigenómica. Regulación de la expresión génica...

(microorganismos implicados en los procesos fermentativos de carácter probiótico) pueden modular la expresión de numerosos genes causando efectos deseables o indeseables para la salud. La regulación de la expresión génica por nutrientes u otros componentes de los alimentos requiere en primer lugar que determinadas enzimas, transportadores, receptores o factores de transcripción reconozcan el compuesto especíco, lo que da lugar a una sucesión de mecanismos celulares que nalmente modican los procesos de transcripción o traducción génica. En el presente Capítulo se revisan los aspectos fundamentales de la Nutrigenómica y se detallan algunos efectos de los macro y micronutrientes sobre la expresión génica. Asimismo, se indican algunos efectos de otros componentes minoritarios de los alimentos sobre la modulación de la expresión de genes particulares.

2. Nutrigenómica La Nutrigenómica es la ciencia que trata de facilitar una explicación a nivel molecular de cómo los nutrientes y otros componentes de los alimentos interaccionan con el conjunto de genes de un individuo, además de su repercusión sobre el estado de salud. Las bases conceptuales de esta rama de la investigación genómica se pueden resumir en: 1. Los componentes de los alimentos actúan en el genoma humano, directa o indirectamente, alterando la expresión o la estructura genética. 2. Bajo ciertas circunstancias y en algunos individuos, la dieta es un factor de riesgo importante para un número de enfermedades. 3. Algunos genes regulados por la dieta y sus variantes comunes normales, probablemente jueguen un papel en el inicio, incidencia, progresión y/o severidad de las enfermedades crónicas. 4. El grado con el que la dieta inuye en el balance entre los estados de salud y enfermedad puede depender de la composición genética individual. 5. La intervención basada en el conocimiento del requerimiento nutricional, estado nutritivo y genotipo (nutrición individualizada) puede ser utilizada para prevenir, mitigar y curar la enfermedad. 1042

Tal y como la Farmacogenómica ha evolucionado hacia el concepto de “medicamento personalizado” y los “fármacos de diseño”, la Nutrigenómica abre el camino a la “nutrición personalizada”. Es decir, conociendo el estado nutricional de un sujeto, sus necesidades nutricionales particulares y su genotipo, la Nutrigenómica debe proporcionar, en un futuro no muy lejano, un patrón de alimentación personalizado que conduzca a un estado de mejora de salud y de bienestar, ajustando de forma precisa su dieta con su dotación genética especíca. La nutrición inadecuada es un factor ambiental importante que contribuye al desarrollo de enfermedades en todo el mundo. El consumo excesivo de algunos nutrientes, especialmente de grasas saturadas y de azúcares simples, así como las deciencias de algunos micronutrientes, pueden causar problemas serios de salud tales como enfermedad coronaria, aterosclerosis, diabetes, cáncer y defectos congénitos. No obstante, y a pesar de los esfuerzos de los gobiernos de los países desarrollados para informar sobre cómo llevar a cabo una buena nutrición, algunas enfermedades como la obesidad y otras patologías relacionadas, continúan aumentando su prevalencia. Por otra parte, las recomendaciones de ingesta se basan en estudios que no reejan la individualidad de las poblaciones. Es decir, a menudo se asume que todos los individuos responderán igual a la intervención dietética y se beneciarán por igual de las recomendaciones dietéticas y de las políticas nutricionales. Durante el siglo pasado los objetivos de la investigación nutricional fueron la identicación de los nutrientes y de los efectos que su carencia ocasiona en el metabolismo intermediario, el crecimiento y el mantenimiento y desarrollo de las células y de los tejidos. Los estudios realizados llevaron a la formulación de recomendaciones de ingesta dietética (RDA) para cada nutriente, que cubren al 95% de los individuos de una población sana, y con ello se logró la erradicación de múltiples enfermedades decitarias como la pelagra, el beriberi, el escorbuto, etc. En la actualidad, la tecnología de la era genómica ha proporcionado nuevas y poderosas herramientas, posibilitando a los cientícos cambiar el enfoque reduccionista tradicional de investigar los efectos de un solo nutriente sobre un sistema biológico por uno mucho más amplio, en donde

Á. Gil Hernández | Ó.C. Chagoyán Thompson

se pueden explorar los efectos moleculares de uno o varios nutrientes en organismos biológicos completos. A partir de los datos proporcionados por el proyecto del genoma humano y a partir del conocimiento de polimorsmos genéticos de un solo nucleótido (SNP: Single Nucleotide P olimorphism), se ha constatado que existen ciertas variaciones genéticas en los individuos que alteran las interacciones entre los componentes de la dieta y las respuestas metabólicas, lo que conduce a una mayor o menor susceptibilidad al desarrollo de determinadas enfermedades. Esta variación genética interindividual cuestiona hasta qué punto las recomendaciones dietéticas, usualmente basadas en estudios epidemiológicos, son válidas para todos los grupos raciales y étnicos. En denitiva, la Nutrigenómica representa un enfoque multidisciplinar y multidimensional para reconocer que la variación genética individual puede exacerbar el efecto de la dieta en el desarrollo de enfermedad, y que la intervención dietética basada en el conocimiento del estado nutricional, los requerimientos nutricionales y el genotipo, lo que se ha llamado “nutrición inteligente”, puede remediar o mejorar la sintomatología de la enfermedad. De acuerdo con este nuevo concepto, se ha propuesto que el término nutriente debe ser aplicado a “todo aquel constituyente de la dieta, completamente caracterizado (física, química y siológicamente), natural o diseñado, que sirva como sustrato energético, precursor de moléculas u otros componentes necesarios en la diferenciación, crecimiento, renovación, reparación, defensa y /o mantenimiento de la célula, o bien a todo aquel que funcione como molécula de señalización, cofactor, determinante de alguna función, estructura molecular y/o como promotor de la integridad de las células y de los órganos”. Con esta larga denición, además de la función metabólica que cumplen los nutrientes, se destaca la inuencia que tienen en los procesos de transcripción, postranscripción y traducción del DNA, así como de las funciones resultantes. No obstante, es necesario reconocer que las interacciones entre el genoma y los nutrientes puede variar a través del ciclo de la vida, y que además puede tener una profunda inuencia en el mantenimiento de la salud y en la prevención de las enfermedades de los individuos.

2.1. Interacciones entre dieta, genoma y salud

La idea de que las interacciones adversas dieta/ genoma pueden causar enfermedad no es nueva. La galactosemia y la fenilcetonuria son ejemplos de ello, ya que ambas enfermedades son de rasgo genético simple, pueden ser diagnosticadas en forma temprana y son manejadas con éxito mediante la utilización de dietas especiales. Sin embargo, muchas enfermedades crónicas son de naturaleza poligénica y resultan de interacciones de un subconjunto de genes con factores ambientales. La asociación entre la ingestión de alimentos especícos y enfermedad crónica se observó por primera vez en conejos alimentados con huevo, carne y leche, que desarrollaron lesiones arteriales parecidas a las de la aterosclerosis en humanos, y estudios epidemiológicos posteriores muestran repetidamente asociaciones entre la ingestión de alimentos y la incidencia y severidad de las enfermedades crónicas. Gracias a la investigación genómica, actualmente se conoce que la gran mayoría de la información genética humana es compartida por todos los individuos de nuestra especie. Si se consideran dos sujetos cualesquiera, comparten el 99,9% de la secuencia del DNA, es decir, una variación cada 100 pares de bases. Muchas de estas variaciones son SNP y éstos, individualmente o como grupos, alteran la regulación de la expresión de los genes afectados, el procesado del mRNA y las actividades de las proteínas y enzimas sintetizadas. Por tanto, cada individuo puede desencadenar respuestas únicas a factores ambientales basadas en una combinación de SNP en su DNA genómico. De igual manera, todos los grupos raciales y étnicos comparten la mayoría de las variaciones genéticas. Las pequeñas diferencias que existen son responsables de la diversidad humana, tal como los colores de la piel y del pelo, la altura y el peso corporal, etc. Algunas de estas pequeñas diferencias revisten variaciones importantes bajo el punto de vista médico, ya que modican la susceptibilidad al desarrollo de algunas patologías. Ciertas poblaciones minoritarias presentan una elevada incidencia de algunas enfermedades crónicas respecto a las poblaciones mayoritarias, tales como obesidad, diabetes, asma, enfermedades cardiovasculares (ECV) y ciertos tipos de cáncer. 1043

Capítulo 1.31.


Por ejemplo, los norteamericanos de origen africano tienen un 60% mayor de riesgo que los de descendencia europea para desarrollar cáncer de próstata. Asimismo, estudios epidemiológicos como el NHANES III (the third National Health and Nutrition E xamination Survey ) han demostrado que las mujeres afroamericanas y mejicanas mayores de 50 años, y los hombres afroamericanos presentan un mayor riesgo de ECV. Uno de los mejores ejemplos de interacciones entre la dieta y el genotipo es la diabetes de tipo 2, que ocurre frecuentemente en los individuos sedentarios y obesos y en ciertos grupos minoritarios como los indios Pima. Una vez diagnosticada la diabetes, algunos individuos pueden controlar los síntomas aumentando la actividad física y reduciendo la ingesta calórica, especialmente, de grasa. En estos casos, la expresión de la información genética es cambiada por el ambiente. Sin embargo, otros individuos son refractarios a dichos cambios ambientales y necesitan tratamiento con medicamentos. Numerosas enfermedades crónicas no muestran la exibilidad metabólica observada en la diabetes de tipo 2, es decir, los síntomas no revierten después del inicio de la enfermedad. No obstante, las interacciones del genotipo y de la dieta contribuyen a la incidencia y gravedad de muchas enfermedades como obesidad, cáncer, aterosclerosis, asma, etc. La Tabla 1 muestra algunos de los genes asociados con la diabetes de tipo 2. Aunque algunos factores ambientales como la dieta, la actividad física y el alcohol desempeñan un papel importante en el establecimiento de las concentraciones de triglicéridos en sangre, tanto los triglicéridos como los niveles de colesterol asociados a las partículas de lipoproteínas de baja densidad (LDL: Low Density Lipoproteins) están muy inuenciados por la variabilidad genética. En el caso de los genes que inuyen sobre los patrones de subclases de LDL, las interacciones de la dieta con los genes contribuyen en gran medida a explicar las diferencias interindividuales de los efectos de las dietas bajas en grasa y con elevado contenido de hidratos de carbono sobre el riesgo de enfermedad cardiaca. La intolerancia a la lactosa es otro ejemplo de las interacciones genoma-dieta. En esta patología, el consumo de leche y de algunos productos lácteos como leche evaporada, leche en polvo y pro1044

ductos elaborados con estos ingredientes, da lugar a la aparición de dolores digestivos acompañados de náuseas, gases y diarrea. Los datos epidemiológicos indican que la frecuencia de la intolerancia a la lactosa varía ampliamente dependiendo de la zona geográca, edad, raza y etnia (Tabla 2). Investigaciones recientes han identicado un polimorsmo SNP (C/T13910) en un lugar 14kb corriente arriba del gen que codica para la lactasa, en un locus del brazo largo del cromosoma 2 (2q21). Esta variante, identicada inicialmente en nueve familias nlandesas muy extendidas, es la responsable de la tolerancia a la lactosa. Es decir, los miembros de estas familias pueden consumir leche y derivados lácteos sin ninguna complicación. El polimorsmo situado en el gen promotor de la lactasa altera las interacciones de una proteína reguladora que interacciona con el DNA. Actualmente, se conocen 11 polimorsmos en el gen de la lactasa agrupados en cuatro haplotipos denominados A, B, C y U. El haplotipo A, que conere tolerancia a la lactosa, tiene una frecuencia del 86% en la población del norte de Europa, pero únicamente del 36% en las poblaciones del sur. Las culturas que beben leche fresca tienen usualmente una mayor frecuencia de este haplotipo, y la persistencia del polimorsmo conere ventajas selectivas como una mejor nutrición, prevención de la deshidratación y mejora del estado nutricional del calcio. La aparición del polimorsmo asociado a la persistencia de lactasa parece que tuvo lugar en un periodo relativamente reciente, hace 10.00012.000 años, coincidiendo con la domesticación de los animales. El descubrimiento de esta variante hace posible individualizar las intervenciones dietéticas en la infancia, aplicando un test genético para la intolerancia a la lactosa. Otro ejemplo de interacción entre dieta y el genoma está en los procesos inamatorios. La inamación es una parte esencial de la respuesta corporal a la infección, la cirugía y el trauma, desempeñando un importante papel en la muerte de los patógenos con la creación de un ambiente tisular hostil mediante la producción de moléculas oxidantes y la activación de linfocitos T y B. Asimismo, el organismo libera mediadores químicos derivados del proceso inamatorio entre los que se encuentran tres potentes citokinas proinamatorias [interleukinas 1 (IL-1) y 6 (IL-6), y el factor


Tabla 1. GENES CANDIDATOS EN LA DIABETES DE TIPO 2 Gen mutado

Función

Efecto

Vinculado a

HNF-4-α, HNF-1β, IPF-1, NeuroD1

Factores de transcripción

↓ Secreción de insulina

Diabetes humana MODY

HNF-1-α

Factor de transcripción


Diabetes MODY Oji-Cree

Glucokinasa

Metabolismo de la glucosa


MODY

Calpaína-10

Proteasa

Desconocida

Diabetes 2 en mexicanos y afroamericanos

PPAR -γ

Factor de transcripción

↓ Sensibilidad a la insulina

Diabetes 2

Receptor de insulina

Transmisión de la señal de insulina a las células

↓ Secreción y sensibilidad a la insulina

Diabetes humana (raro) Modelo de ratón

IRS1 y 2

Señalización celular


Ratones modelo

Akt2

Señalización celular


Ratones modelo

11-β-HSD

Síntesis de glucocorticoides

↑ Lípidos plasmáticos ↓ Secreción de insulina

Ratones modelo

UCP-2

↓ Síntesis de ATP


Ratones modelo

Resistina

Adipocitokina


Ratones modelo

Adiponectina

Adipocitokina

↑ Sensibilidad a la insulina

Estudios en humanos y ratones

IRS: sustrato del receptor de la insulina ( Insulin Receptor Substrate ); HNF: factor nucle ar de los hepato citos ( Hepatocyte Nuclear Factor ); 11-β-HSD: hidroxiesteroide deshidrogenasa; MODY: diabetes del adulto de comienzo temprano en los jóvenes ( Maturity-Onset Diabetes in the Young Human ); PPAR- γ: receptor activado por proliferadores de los peroxisomas ( Peroxisome Proliferator Activated Receptor ); UCP-2 : proteí na desaco plant e de la fosfo rilac ión oxidativa ( Uncoupling Protein-2 ). Fuente: adaptado de Marx. Science 2002; 296: 686-9.

de necrosis tumoral α (TNF-α)] (ver Capítulos 1.4, 1.35, 4.17, 4.26 y 4.30). Recientemente, se ha observado que los SNP en los genes responsables de producir las moléculas involucradas en los procesos inamatorios ejercen un efecto modulador sobre la intensidad de la inamación. También se ha demostrado que tanto las citokinas pro como las antiinamatorias son inuenciadas por diferencias en el genotipo. Varias moléculas oxidantes, especialmente radicales libres de oxigeno, activan la producción del factor de transcripción denominado factor

nuclear kappa B (NF- κB), y la variabilidad genética inuye en la capacidad de algunos individuos de producir moléculas oxidantes que determinan la activación del NF- κB, el cual incrementa la producción de citokinas y la expresión de las moléculas de adhesión, todo lo cual aumenta el riesgo de lesión en el huésped. La proteína 1 de macrófagos asociada a la resistencia natural (NRAMP1: Natural Resistance Associated Macrophage P rotein 1) tiene efectos sobre la producción de TNF-α y la activación de la sintetasa inducida por óxido nítrico (iNOS), existiendo cuatro variantes del gen de NRAMP1, donde los alelos 1045

Capítulo 1.31.


Un método para reducir el estrés inamatorio es el consumo de alimentos que suprimen la producción de citokinas proinamatorias (aceite de Raza, etnia y país de origen Hipolactasia pescado) o actúan como antioxidantes (vitamina E). El mecanismo por el que Asiáticos del sudeste 98% el aceite de pescado disminuye la res Asiáticos norteamericanos 90% puesta inamatoria es múltiple ya que, Esquimales 80% a nivel metabólico, los ácidos grasos poliinsaturados de la serie n-3 limitan Adultos afroamericanos 79% la producción de eicosanoides derivaMexicanos de comunidades rurales 73,8% dos del ácido araquidónico, que son Judíos norteamericanos 68,8% proinamatorios, pero a nivel genético intervienen en la supresión de la proGreco-chipriotas 66% ducción de TNF-α y en la activación de Cretenses 56% algunos factores de transcripción como Varones mexicanos en Norteamérica 55% el receptor activado por proliferadores Adultos de India 50% de los peroxisomas (PPAR: P eroxisome P roliferator Activated Receptor ). La vitaNiños afroamericanos 45% mina E es un antioxidante que también Niños de India 20% modica la producción de citokinas. Caucásicos de Europa del norte 5% Esta vitamina suprime la producción de superóxido y de otros radicales libres Fuente: adaptado de Enattah et al. Nat Genet 2002; 30: 233-7. de oxígeno. Otro ejemplo de interacciones 1,2 y 4 son pobres promotores, y el alelo 3 causa entre genoma y dieta lo constituyen los microuna elevada expresión génica. La hiperactividad de nutrientes. Las deciencias de los aproximadalos macrófagos, asociada al alelo 3, se relaciona con mente 40 micronutrientes (vitaminas y minerales) susceptibilidad a enfermedades autoinmunes y alta necesarios para el desarrollo del ser humano, se resistencia a la infección, mientras que el alelo 2 inasocian a numerosas enfermedades. Muchas de crementa la susceptibilidad a la infección y protege las deciencias de micronutrientes se deben a la contra las enfermedades autoinmunes. ingesta de una dieta pobre, pero aproximadamente Existen también moléculas que suprimen la 50 enfermedades genéticas pueden atribuirse a producción de citokinas proinamatorias y ejercen polimorsmos enzimáticos. Estas últimas pueden una inuencia antiinamatoria; éstas incluyen las remediarse o mejorarse administrando elevados defensas antioxidantes y la interleukina 10 (IL-10). niveles de la vitamina o del coenzima corresponHay al menos tres sitios polimórcos (-1082, -819 diente. Los cambios en las concentraciones de y -592) en el promotor de la IL-10 que inuyen su coenzima pueden contribuir a una mayor unión de producción, y los SNP también ocurren en genes ésta a la apoenzima de anidad alterada por un poque codican enzimas involucradas en la defensa limorsmo determinado. Algunos ejemplos de SNP antioxidante, como la superóxido dismutasa y la incluyen los genes de la metilén-tetrahidrofolato glutatión peroxidasa, los cuales inuencian su acreductasa ( MTHFR) (C677T ) y el FAD, en relación tividad. con la enfermedad cardiovascular y las migrañas, la Los polimorsmos en los genes de las citokinas NAD(P) quinona oxidorreductasa 1 ( C609T ) y el pueden jugar un papel en la longevidad mediando FAD, en relación con el cáncer, la glucosa-6-fosfato las respuestas individuales al estímulo inamatodeshidrogenasa (C131G ) y el NADP+, en relación rio. Por ejemplo, la posesión de alelos altamente con el favismo y la anemia hemolítica, la aldehído productores de IL-10 disminuye la morbilidad y la deshidrogenasa E487K , presente en la mitad de los mortalidad al tener un efecto protector contra la asiáticos, y el NAD+, en relación con la intolerancia inamación crónica. al alcohol, la enfermedad de Alzheimer y el cáncer. Tabla 2. PORCENTAJE DE HIPOLACTASIA EN DIFERENTES RAZAS Y ETNIAS

1046


El enfoque de la dieta como un factor para determinar la estabilidad genómica es más importante de lo que se había imaginado previamente debido al impacto que los alimentos tienen en todas las vías relevantes, como la exposición, la activación y desactivación de carcinógenos, la síntesis y reparación del DNA y la apoptosis. Por ejemplo, la deciencia dietética de micronutrientes necesarios para el mantenimiento del DNA puede producir efectos similares a las enfermedades heredadas genéticamente que dañan la actividad de las enzimas requeridas para la estabilidad genómica y pueden alterar el DNA de forma similar a la exposición a carcinógenos y a la radiación. El ajuste de las ingestas dietéticas de micronutrientes para algunos individuos con genotipos similares y edades puede minimizar el daño al DNA cromosómico y mitocondrial, observado en numerosas alteraciones relacionadas con las deficiencias de micronutrientes, optimizando la salud, prolongando la calidad de vida y previniendo el riesgo de comienzo temprano de ciertos cánceres y otras enfermedades degenerativas asociadas con la edad. 2.2. Inuencia de los componentes de la dieta sobre la expresión génica

Numerosos estudios han documentado que los nutrientes y otros compuestos químicos de la dieta inuencian los procesos siológicos. Esto ocurre, en parte, porque se altera la expresión o estructura de un conjunto de genes del genoma humano. Los componentes de los alimentos afectan a la expresión génica de forma directa o indirecta por las siguientes vías (Figura 1): 1. Actúan como ligandos de receptores que son factores de transcripción. 2. Son metabolizados alterando la concentración de sustratos o de metabolitos intermediarios en diversas vías. 3. Sirven como moléculas señalizadoras. La modulación de la expresión génica por nutrientes es un mecanismo de adaptación que permite a los organismos sobrevivir en unas condiciones en las que el aporte de alimentos se realiza de forma intermitente. La glucosa, que es el monosacárido más abundante en la naturaleza,

supone un buen ejemplo de cómo los organismos han desarrollado mecanismos para hacer frente a este aporte discontinuo de nutrientes. En levaduras, la glucosa facilita su propio uso induciendo la expresión de genes implicados en su metabolismo a la vez que reprime aquellos que participan en la utilización de otras fuentes de carbono como fuente de energía. En mamíferos, la respuesta es más compleja ya que, además del efecto directo de la glucosa, hay que tener en cuenta los efectos derivados de cambios hormonales propiciados por la propia glucosa. En las células β del páncreas, la glucosa es el principal estímulo siológico para la secreción de insulina, así como para la disminución en la secreción de glucagón. En el hígado existen genes que requieren elevadas concentraciones tanto de glucosa como de insulina, como son L-piruvato kinasa (L-PK ), acil-CoA carboxilasa ( ACC ) o ácido graso sintasa (FAS). Otros, como el gen de la fosfoenolpiruvato carboxikinasa ( PEPCK ), ven disminuida su expresión tanto por insulina como por glucosa de forma independiente. Finalmente, el gen de la glucosa-6-fosfatasa disminuye su expresión en presencia de insulina y, paradójicamente, la aumenta en presencia de glucosa. 2.3. Herramientas de la Nutrigenómica

Para poder caracterizar la interacción nutrientegenoma a diferentes niveles es necesario generar diversos biomarcadores apropiados. La Metilómica se encarga del estudio de las modicaciones en el estado de metilación del DNA entre los individuos. La Transcriptómica se encarga de evaluar la inuencia de los componentes de los alimentos sobre la expresión de diferentes mRNA; la Proteómica, del conjunto de proteínas celulares generadas por la lectura de los distintos mRNA. El siguiente nivel es la Metabolómica, que estudia la inuencia de uno o varios nutrientes u otros componentes de los alimentos sobre los procesos metabólicos en las células. La integración de los procesos celulares y de los tejidos en el organismo en su conjunto es abordado por la Fisiómica/ Fenomenómica; y, por último, la caracterización completa de un grupo de población se lleva a cabo por la Populómica . 1047

Capítulo 1.31.


Figura 1. Inuencia de los nutrientes en la expresión génica. A: acción directa del nutriente como ligando para receptores de factores de transcripción; B: modicación de las concentraciones de sustratos o intermediarios al ser metabolizados en vías primarias o secundarias; C: afectación positiva o negativa de las vías metabólicas mediante la regulación génica o la señalización celular. Fuente: Physiol Genomics 2004; 16: 166-77.

Los niveles de análisis para determinar la interacción entre genes y nutrientes se muestran en la Tabla 3. Asimismo, en la Figura 2 se presenta el proceso mediante el cual se llega a la obtención de estos biomarcadores; en el centro se representan, en forma sintetizada, los pasos involucrados en la expresión génica, a la izquierda los sitios especícos en los cuales los nutrientes pueden modular los procesos, y a la derecha las técnicas genómicas que son actualmente utilizadas para la búsqueda y obtención de los mencionados biomarcadores, cuya función principal es la de reejar los cambios sutiles que ocurran en la homeostasis y los esfuerzos realizados por el organismo a través de sus sistemas celulares, órganos 1048

o interacciones interorgánicas, para mantener esta homeostasis. En la Genómica se utilizan técnicas de secuenciación para la identicación de polimorsmos; en la Metilómica se emplean análisis de series de fragmentos de DNA para determinar su estado de metilación; en la Transcriptómica se utilizan técnicas de evaluación de los mRNA presentes en un determinado tejido mediante microchips de DNA y RT-PCR cuantitativa, y en la Proteómica se detecta la población de proteínas presentes en una muestra mediante técnicas de cromatografía bidimensional seguida de análisis adicionales como la espectrometría de masas. Asimismo, en la actualidad, se está trabajando para que la evaluación del metabolismo del individuo se pueda realizar mediante técnicas


Tabla 3. NIVELES DE ANÁLISIS DE INTERACCIÓN GENOMA-NUTRIENTES Nivel

Denición

Ejemplo de análisis

1. Genoma

Impresión genómica

Secuenciación de nucleótidos

2. Metiloma

Modicaciones de la mutilación del DNA

Análisis de microseries

3. Transcriptoma

Expresión del RNAm

Ensayos de hibridación

4. Proteoma

Conjunto(s) de proteínas celulares

Espectrometría de masa, cromatografía en gel bidimensional, modicaciones postranscripcionales

5. Metaboloma

Metabolitos de bajo peso molecular en células/ órganos

Sistemas analíticos micrototales (μTAS), infrarrojo (IR), resonancia magnética nuclear (NMR)

6. Fisioma/fenomenoma

Integración cuantitativa de los procesos celulares y de órganos

Variables celulares, órgano y sistemas corporales completos, con énfasis en modelos de ujo y balance de masa

7. Populoma

Caracterización nutricional completa de un grupo de población, utilizando las técnicas 1a6

Lo que sea relevante de lo anterior más datos de la dieta y socioculturales

Fuente: J Nutr 2003; 133 (Suppl): 3830-6.

que midan la mayor cantidad de metabolitos a través de muestras simples y pequeñas, cuyos resultados constituyan datos cuantitativos rigurosos con los que sea posible realizar mapas metabólicos y hacer comparaciones tanto en individuos como en poblaciones con un costo lo más bajo posible. Por el momento, son tres los tipos de tecnología utilizados para el análisis metabólico-genético: la espectroscopia con resonancia magnética nuclear (NMR), la espectrometría de masas (MS) y las técnicas clásicas de cromatografía gas líquido (GLC) y líquido-líquido de alta ecacia (HPLC).

3. Regulación de la expresión génica por hidratos de carbono Aunque en el Capítulo 1.9 , en el apartado correspondiente a la regulación del metabolismo de

los hidratos de carbono, se ha comentado la regulación coordinada de la glicólisis y gluconeogénesis tanto por hormonas como por glucosa, en este apartado se comenta de manera especíca cómo este nutriente puede afectar la expresión génica de numerosos genes implicados en la digestión, absorción y metabolismo de los azúcares. 3.1. Enzimas hidrolíticas

La lactasa se expresa en el intestino de los mamíferos, especialmente durante el periodo de lactación. Tanto la glucosa como la fructosa, sacarosa, galactosa y glicerol aumentan la actividad de lactasa y su mRNA en homogenados de mucosa de yeyuno. Además, dietas con elevado contenido en almidón aumentan los niveles de mRNA y la cantidad de lactasa, mientras que dietas con contenido alto en triglicéridos de cadena larga disminuyen la expresión del gen. 1049

Capítulo 1.31.


Figura 2. Nutrigenómica y descubrimiento de biomarcadores. Fuente: modicado de J Nutr 2003; 133 (Suppl): 3830-3830-6.

El complejo sacarasa-isomaltasa (SI) del borde en cepillo de los enterocitos es esencial para la digestión de la sacarosa y la digestión terminal del almidón. Se ha estudiado el efecto solo o combinado de la sacarosa, hidrocortisona y factor de 1050

crecimiento epidérmico (EGF) sobre la expresión de SI en ratas normales y adrenalectomizadas, y se ha encontrado que cada uno de los factores de forma independiente es capaz de aumentar los niveles de mRNA de la SI, aunque la suma de


varios factores conduce a un aumento mayor en la expresión del gen. 3.2. Transportadores de glucosa

La glucosa entra en el epitelio intestinal por transporte activo vía transportador de glucosa acoplado a sodio (SGLT1). En ratones, un aumento de los hidratos de carbono en la dieta aumenta la expresión de SGLT1 tanto en células de las criptas como en las de las vellosidades, pero al cesar la ingesta de hidratos de carbono la reducción en la expresión del transportador se observa únicamente en las criptas, lo que implica que el cambio en la expresión génica se efectúa en las líneas celulares derivadas directamente de las células madre. El transporte de glucosa en los tejidos no epiteliales de los mamíferos ocurre por difusión facilitada y está mediado por una familia de transportadores denominados GLUT. Hasta la fecha se han caracterizado 11 transportadores diferentes denominados GLUT-1 a GLUT- 9, GLUT-X y GLUT-13 de acuerdo con su identicación cronológica por clonación molecular (ver Capítulo 1.9). Con independencia de la conocida regulación hormonal de los transportadores GLUT, especialmente por insulina, la glucosa por sí misma regula positivamente la expresión de GLUT-4 en el músculo pero no en los adipocitos. Por otra parte, altas concentraciones de glucosa disminuyen la expresión de la isoforma GLUT-1 en células cultivadas por mecanismos pre y postranscripcionales, siendo la incidencia de regulación de uno u otro tipo dependiente del tipo de tejido. Además, dietas con elevado contenido en fructosa regulan positivamente el mRNA del GLUT-5, aumentando su transporte al interior de los enterocitos; el efecto se debe a la fructosa luminal y no a los niveles circulantes de fructosa o de sus metabolitos. Se ha propuesto que el transportador GLUT-2 podría ser un receptor para glucosa en hepatocitos de manera que cuando ésta interacciona con GLUT-2, se genera una señal que es transmitida al interior celular a través del largo dominio intracitosólico que posee el transportador. Este mecanismo podría actuar simultáneamente con la señal generada por los metabolitos de la glucosa para inuenciar la expresión de algunos genes metabólicos como el de la L-PK.

3.3. Insulina

La concentración de glucosa en sangre regula con gran precisión la secreción de insulina en los islotes pancreáticos. En la respuesta rápida a la glucosa no existen alteraciones en la expresión génica, ya que la liberación de la insulina de los gránulos de almacenamiento ocurre por un inujo de calcio mediado por pequeños incrementos de ATP debidos al metabolismo de la glucosa y de otros nutrientes. Sin embargo, la glucosa ejerce un efecto a largo plazo sobre la transcripción y la traducción del gen de la insulina. El ayuno disminuye los niveles de mRNA de insulina que vuelven a la normalidad con la realimentación. Por otra parte, la tasa de traducción del mRNA para generar proinsulina aumenta por medio de la glucosa mediante tres mecanismos: a) Aumento de la tasa de transferencia de la proinsulina por aumento de los ribosomas unidos al retículo endoplásmico. b) Disminución del periodo de paso del mRNA a lo largo del ribosoma. c) Estimulación directa de la elongación. En periodos cortos de tiempo, la producción de insulina se controla principalmente a nivel de la traducción de mRNA preexistente. A largo plazo, los niveles de mRNA de insulina se regulan a través de efectos sobre la tasa de transcripción del gen y por cambios que afectan a la estabilidad del mRNA. Por otra parte, la glucosa ejerce un efecto directo a nivel pretraduccional sobre la expresión del gen del péptido insulinotrópico. Los efectos del metabolismo de la glucosa sobre el recambio de las moléculas de mRNA de insulina aún no han sido caracterizados con detalle. A nivel transcripcional se han identicado varios elementos cis en el DNA y varios factores de transcripción que actúan como elementos trans implicados en la respuesta transitoria del gen de la insulina a cambios en los niveles intracelulares de cAMP o a señales generadas como resultado del metabolismo de la glucosa. Además de las cajas TATA y GC presentes en numerosos promotores, en el promotor de la insulina se han identicado dos cajas del tipo E denominadas IEB1 (o NIR) e IEB2 (o FAR), que tienen la secuencia consenso CANNTG y que aparecen en la regulación de genes especícos de tejido tales como músculo, páncreas y tejido linfoide. Estas cajas se unen a una familia de factores trans del tipo HLH 1051

Capítulo 1.31.


( H elix- L oop- H elix ) que poseen un dominio responsable de la dimerización y otro dominio adyacente responsable de la unión al DNA. Las secuencias IEB se unen especícamente a un factor denominado IEF-1 (Insulin Enhancer F actor 1) (factor potenciador de la insulina). Este factor es un heterodímero formado por el producto de un gen simple (E2A) y del factor IESF-1(factor especíco potenciador de la insulina 1), que es una proteína del tipo HLH. El factor IESF-1 se expresa únicamente en las células β del páncreas, siendo determinante Figura 3. Modulación de la expresión de insulina por glucosa. de la expresión de insulina. Además de las secuencias IEB, otras cajas como teína que también se activa por otros compuestos, la E(FAR) y la TATA (FLAT) actúan de forma sinércomo son fructosa, piruvato o xilitol, así como por gica. Por otra parte, se han identicado otras sela propia insulina (ver Capítulo 1.5). cuencias reguladoras como la caja GAGA y un elemento de respuesta al cAMP (CRE). El elemento de respuesta a la glucosa (GlRE) ha sido mapeado 3.4. Genes metabólicos y está incluido en la región FLAT entre -193 y -227; a este sitio se une un factor C1, que comparte deDiversos experimentos llevados a cabo en hetalles estructurales con el factor IUF-1, el cual sólo patocitos, adipocitos y células pancreáticas β han se expresa en las células β del páncreas. establecido que la glucosa, en ausencia de insulina, En la actualidad, se conoce que la glucosa particiestimula la transcripción de varios genes que codipa en el control de la expresión del gen de la insulican enzimas implicadas en la glicólisis (L-piruvato na a través del factor de transcripción PDX 1 ( P ankinasa, L-PK) y en la lipogénesis (acetil-CoA carboxilasa, ACC, y ácido graso sintasa, FAS). creatic Duodenum Homebo x Protein 1) (Figura 3). Incrementos en la concentración de glucosa en los Para explicar la respuesta de los tejidos a la gluislotes pancreáticos conducen a la fosforilación de cosa se han considerado varias hipótesis: a) La presencia de glucosa podría modicar la PDX 1 y su posterior translocación hasta el núcleo donde se une al promotor del gen de la insulina cantidad de factores de transcripción, incluyendo dando lugar a una activación en la transcripción. La modicaciones en su localización celular. b) Los factores de transcripción sufrirían modifosforilación del factor de transcripción es llevada a cabo por fosfatidilinositol-3-kinasa (PI 3K), una procaciones postraduccionales en presencia de glucosa, 1052


modicando las interacciones con la maquinaria básica de transcripción o con los coactivadores. Estos cambios implicarían modicaciones alostéricas de la proteína de unión al metabolito de la glucosa que actuaría como señal, reacciones de fosforilación-defosforilación de proteínas nucleares, o ambas. En los últimos años se han acumulado numerosas evidencias a favor de esta segunda hipótesis.

produce un gran aumento en la concentración de glucosa-6-fosfato, glicógeno y triglicéridos en hígado, así como una activación en la expresión de FAS y ACC. En cualquier caso, parece necesario un mayor conocimiento de la maquinaria de transducción para poder asignar con exactitud un papel a los distintos metabolitos de la glucosa.

3.4.1. Metabolitos señal

3.4.2. Secuencias cis y factores trans involucrados en la respuesta a la glucosa

Después de su entrada al hígado, células β pancreáticas y adipocitos, así como otros tejidos periféricos, la glucosa debe metabolizarse para generar una señal intracelular que permita la regulación transcripcional de genes metabólicos. Todavía no está claro cuál es el metabolito implicado en la generación de dicha señal. Algunos investigadores sugieren que es el xilitol-5-fosfato, un intermediario de la ruta de las pentosas fosfato, apoyándose en las siguientes evidencias experimentales: a) El xilitol, un precursor de la xilulosa-5-fosfato, estimula la expresión de un gen registrador bajo el control del promotor de L-PK en una línea celular de hepatocitos (AT3F) a bajas concentraciones, sin cambios detectables en glucosa-6-fosfato, el otro candidato importante a ejercer como metabolito señal. b) En cultivos de células hepáticas, el xilitol (510 mM) origina un incremento de hasta seis veces en la cantidad de mRNA de L-PK. c) La xilulosa-5-fosfato activa una fosfatasa que está implicada en la desfosforilación de factores de transcripción. Por otra parte, hay quienes deenden el papel de la glucosa-6-fosfato como metabolito señal en base a lo siguiente: a) En tejido adiposo y células β pancreáticas, el efecto de la glucosa es mimetizado por 2-desoxiglucosa, un análogo de la glucosa que no puede ser metabolizado más allá de su fosforilación para dar 2-desoxiglucosa-6-fosfato, que se acumula en las células. b) Modicaciones en la concentración intracelular de glucosa-6-fosfato originan a su vez cambios en la expresión de los genes. c) Cuando se emplean inhibidores de la actividad translocadora de la glucosa-6-fosfatasa, se

Se han caracterizado dos elementos de respuesta a la glucosa en los promotores de los genes L-PK y S14, denominados GlRE ( Glucose Response Element) y ChoRE ( Carbohydrate Response Element ), respectivamente. El complejo proteico que se une a GlRE y ChoRE necesita la cooperación de otros sitios del promotor denominados L3 y L4 para obtener la respuesta completa a la glucosa. Ambos elementos de respuesta a la glucosa tienen dos cajas E del tipo CANNTG separadas por 5 pares de bases y comparten una secuencia palindrómica común (CATGT(n)5GGGGTG), también observada en el promotor del gen FAS. En el promotor PI del gen de la ACC, presente en el tejido hepático, se ha identicado un ChoRE similar al de los genes L-PK, S14 y FAS. Las cajas E de los elementos de respuesta a la glucosa son sitios de unión para factores de transcripción del tipo básico hélice-giro-hélice (bHLH: basic Helix-Loop-Helix ). Dentro de este tipo, está el factor denominado USF (Upstream Stimulatory F actor ), responsable de la unión a GlRE y ChoRE. Se han identicado dos USF, denominados USF1 y USF2, con idénticas propiedades de unión al DNA aunque dieren en su dominio N-terminal. Los USF forman dímeros y tienen una distribución ubicua que no se altera por el estado nutricional u hormonal. Recientemente se ha caracterizado otro factor de transcripción capaz de unirse al ChoRE del gen de la L-PK. Este factor, denominado proteína de unión a ChRE (ChREBP: ChRE Binding P rotein), transloca desde el citoplasma al núcleo en respuesta a la glucosa. No obstante, los mecanismos que establecen la conexión entre los intermedia1053

Capítulo 1.31.


dímeros. Aun así, si la distancia entre las cajas E es menor de cinco nucleótidos, la respuesta a glucosa se pierde totalmente, y si la distancia es mayor, entonces disminuye considerablemente. Por tanto, la separación y orientación de las secuencias son críticas para el control (Figura 4). Estudios complementarios han demostrado que COUP- TFII ( Chicken Ovalbumin Upstream P romoter T ranscription F actor II) se une a una región

que solapa con aquélla a la que se une USF, de manera que la unión de uno de los factores interere con el otro. Se cree que a bajas concentraciones de glucosa es COUP-TFII el que se une al DNA impidiendo la interacción de USF que daría lugar al incremento en la expresión del gen. 3.4.4. Acetil-CoA carboxilasa

Figura 4. Modulación de la expresión génica de piruvato

glucosa.

rios metabólicos de la glucosa (xilitol-5-fosfato o glucosa-6-fosfato) y el complejo de transcripción son prácticamente desconocidos. 3.4.3. L-piruvato kinasa

La PK cataliza el último paso de la glicólisis: la conversión de fosfoenolpiruvato en piruvato. En mamíferos, existen distintas isoformas que permiten un control especíco en los diversos tejidos. La forma predominante en hígado es la L-PK. El estudio de la región promotora del gen puso de maniesto la existencia de dos copias de un posible lugar de unión para factores de transcripción. Como se ha comentado anteriormente, aparecen como secuencias palindrómicas separadas por cinco nucleótidos y reciben el nombre de caja E. A estas cajas E se unen los factores de transcripción USF1 y USF2. Para poder interaccionar con el DNA, es necesario que estas proteínas formen 1054

Esta enzima cataliza la carboxilación de acetil-CoA para dar malonilCoA, y tiene un papel fundamental en kinasa por la regulación de la síntesis de ácidos grasos, por lo que está sometida a numerosos mecanismos de control, incluyendo el transcripcional. El gen de esta enzima presenta dos promotores. El promotor PII contiene una región que incluye dos cajas GC (-340 a -182) que constituyen la secuencia consenso para la unión del factor de transcripción general Sp1. Mutaciones puntuales en las cajas GC dan lugar a la desaparición de la respuesta frente a glucosa. La inducción de dicha respuesta a través de la actuación de Sp1 no se debe a un incremento en la cantidad del factor de transcripción, sino a la desfosforilación de la proteína. 3.4.5. Glucosa-6-fosfatasa

La glucosa-6-fosfatasa es la última enzima de la ruta gluconeogénica en la que se produce la transformación de glucosa-6-fosfato en glucosa. Esta enzima desempeña un papel fundamental en


la homeostasis de la glucosa, estando presente en intestino delgado, hígado y riñón. Durante el destete, una dieta con elevado contenido en hidratos de carbono hace aumentar notablemente la expresión del gen correspondiente en hígado, pero no en yeyuno. Como ya se ha comentado, la expresión de la glucosa-6-fosfatasa disminuye su expresión en presencia de insulina y aumenta en presencia de glucosa. Para todos los genes sensibles a glucosa e insulina, el efecto es común frente a los dos estímulos, ya sea positivo o negativo, pero éste no es el caso de la glucosa-6-fosfatasa. La relevancia siológica de este fenómeno no se conoce todavía. Es posible que la enzima tenga una función desconocida en relación con la disponibilidad de glucosa por el organismo.

4. Regulación de la expresión génica por lípidos Los lípidos de la dieta son macronutrientes indispensables para el crecimiento y desarrollo de los mamíferos. Además de su función energética y de su papel en la composición de las membranas, la grasa dietética ejerce efectos profundos sobre la expresión génica que dan lugar a cambios en el metabolismo, crecimiento y diferenciación celular. Los efectos de la grasa dietética sobre la expresión génica reejan una respuesta adaptativa a cambios en la cantidad y tipo de grasa ingerida. Se han identicado factores de transcripción especícos en los mamíferos, entre los que se incluyen receptores activados por proliferadores de los peroxisomas (PPAR-α, β, δ y γ), factor nuclear 4 de los hepatocitos (HNF4), factor nuclear κB (NF-κB) y proteína de jación a elementos de respuesta a esteroides tipo c (SREBP1c), así como receptores hepáticos X (LXR). Estos factores se regulan por: a) Fijación directa de ácidos grasos, acil-CoA, ácidos grasos oxidados (eicosanoides) u oxiesteroles. b) Regulación por eicosanoides de receptores ligados a proteínas G y activación de cascadas de señales que alcanzan el núcleo. c) Regulación por eicosanoides de los niveles intracelulares de Ca que afectan a las cascadas de señales que llegan al núcleo.

La Tabla 4 muestra los ligandos y funciones de los factores de transcripción principales activados por los lípidos. Asimismo, la Figura 5 muestra la interacción de los ácidos grasos con los receptores nucleares y las vías metabólicas implicadas. A nivel celular la respuesta siológica a los ácidos grasos depende de la cantidad, estructura química y cantidad de la grasa ingerida, del metabolismo de ácidos grasos especíco de tipos celulares concretos (vías oxidativas, cinética y reacciones competitivas), de la abundancia celular de los receptores de membrana y nucleares y de la presencia de factores especícos de transcripción. Los mecanismos de regulación de la expresión génica mediada por ácidos grasos están implicados en el control del metabolismo de los hidratos de carbono y de los lípidos, en el crecimiento y diferenciación celular, y en la producción de citokinas, moléculas de adhesión y producción de eicosanoides. Los efectos de los ácidos grasos de la dieta sobre el genoma humano proveen nuevas vías de abordaje para determinar cómo los lípidos dietéticos inuencian la salud y la enfermedad. La Figura 6 muestra un esquema de cómo los ácidos grasos pueden modular la expresión de genes. En bacterias y levaduras se conocen varios sistemas génicos cuya expresión se regula por ácidos grasos para adaptarse al medio externo. Sin embargo, en los mamíferos el control de la expresión génica mediada por ácidos grasos presenta varias interfases con vías de regulación endocrinas, paracrinas y autocrinas. Dietas con contenido elevado en ácidos grasos poliinsaturados (AGPI) tanto de la serie n-6 como n-3 suprimen rápidamente la transcripción de algunos genes hepáticos como la FAS, proteína S14, estearoil CoA desaturasa 1 (SCD1) y L-PK. Por otra parte, dietas con contenido elevado de AGPI n-3 inducen la expresión de genes implicados en la oxidación de ácidos grasos tales como acilCoA oxidasa (AOX) y el citocromo CYP4A2. Sin embargo, la supresión de la glucosa-6-fosfato deshidrogenasa por AGPI conlleva un mecanismo de regulación postranscripcional. Todos estos efectos son debidos a la acción directa de los ácidos grasos sobre las células del parénquima hepático y no a la acción indirecta de metabolitos u hormonas, en los que están implicados mecanismos de regulación de la transcripción mediada por eicosanoides y PPAR. 1055

Capítulo 1.31.


Tabla 4. LIGANDOS Y FUNCIONES DE LOS FACTORES DE TRANSCRIPCIÓN PRINCIPALES ACTIVADOS POR LÍPIDOS Receptor nuclear

Ligando

Modo de activación

Genes implicados y funciones

PPAR-α

• AGPI n-3 • AGPI n-6 • Eicosanoides (LTB4)

• Interacción directa con lípidos • Heterodimerización con RXR

• Apo A-I, apo A-II, apo C-III (transporte de lipoproteínas) • FABP (transporte intracelular de ácidos grasos) • CPTI (entrada de los ácidos grasos a la mitocondria) • Acil-CoA oxidasa (β-oxidación peroxisomal) • Acil-CoA deshidrogenasa β-oxidación mitocondrial)

PPAR-γ

• AGPI n-3 • AGPI n-6 • Eicosanoides


• FABP, FATP, CD36 (transporte de ácidos grasos) • LPL (hidrólisis de lipoproteínas) • Acil-CoA sintasa (lipogénesis) • UCP (termogénesis) • TNF-α (citokina proinamatoria) • Leptina (regulador de la saciedad)

PPAR-δ

• AGPI n-3 • AGPI n-6 • Eicosanoides


• FABP (transporte de ácidos grasos) • Ciclooxigenasa (síntesis de prostaglandinas y otros eicosanoides)

HNF-4-α

• Agonistas: AGCC (14-16) • Antagonistas: esteárico, AGPI n-3 y n-6

• Interacción directa con lípidos activados (Acil-CoA) • Homodimerización

• Apo A-I, apo B, apo C-III (transporte de lipoproteínas) • FABP (transporte de ácidos grasos) • Acil-CoA deshidrogenasa (oxidación mitocondrial de ácidos grasos) • HNF-1-α/PXR (factores de transcripción) • CYP3A4-6 (citocromos P-450 de hidroxilación peroxisómica)

LXR

• Agonistas oxiesteroles

• Interacción directa con oxiesteroles • Competición con AGPI y heterodimerización con RXR

• CYP7A (metabolismo de ácidos biliares) • CETP (intercambio de colesterol)

• Antagonistas AGPI n-3 y n-6

• SREBP1c, el cual afecta a las enzimas lipogénicas FAS, estearoil CoA desaturasa, ACC, EM y G6PDH

ACC: acetil CoA carboxil asa; AGCC: ácidos grasos de cadena corta; AGPI: ácidos grasos poliinsat urados; CETP: proteína de transf erencia de coles terol; CPT- I: carnitina palmit oil transfer asa I; EM: enzima málic a; FABP: proteína de unión a ácidos grasos; FAS: ácido graso sintasa; FATP: proteína transportadora de ácidos grasos; G6PDH: glucosa6-fosfato deshidrogenasa; RXR: receptores del ácido retinoico; TNF- α: factor de necrosis tumoral α; UCP: proteína desacoplante de la fosforilación oxidativa.

1056


coactivadores de la transcripción. Los eicosanoides también se jan al PPAR-γ. La Tabla 4 muestra lo principales ligandos y modo de acción de los distintos tipos de PPAR, así como los principales genes cuya expresión se afecta por la activación de estos receptores. El PPAR-α ejerce su efecto principal en el hígado y en el músculo, mientras que el PPAR-γ inuencia la expresión de los genes en tejido adiposo y células tumorales. Las células endoteFigura 5. Interacciones de los ácidos grasos con diferentes factores de transcripción. AG: ácido graso; HNFliales y macrófagos α: factor nuclear de los hepatocitos α ; Lp:lipoproteínas;LXR: receptor huérfano del hígado; PPAR:receptor actide la pared arterial vado por proliferadores de los peroxisomas; SERBP: proteína de unión al elemento de respuesta a esteroides. responden a ambos PPAR. Los PPAR-α producen un aumento en la expresión de la lipoproteína lipasa en el Los ácidos grasos, sintetizados endógenamente o procedentes de la dieta, pueden actuar, directa o músculo y una disminución de la apo CIII en hígado. Todo esto origina cambios en el perl lipídico indirectamente, como reguladores de la homeostaplasmático, produciéndose una disminución de los sis lipídica mediante su interacción con receptores triglicéridos sanguíneos y aumentando la concende membrana nucleares, como los PPAR. tración de HDL que se traduce en un efecto anLos PPAR tienen una estructura similar a otros tiaterosclerótico. En el tejido adiposo, los PPAR-γ factores de transcripción de la superfamilia de reestimulan la expresión de genes implicados en la ceptores de esteroides y hormonas tiroideas, y son lipogénesis, adipogénesis y termogénesis. activados por conocidos agentes de proliferación de los peroxisomas como clobratos, nafenopina, En las células tumorales, los PPAR-α y γ tienen efectos antiproliferativos, mientras que PPAR-δ o tiazolidindionas y algunos esteroides como la deshiroepiandrosterona. Los PPAR requieren un factor β promueven los procesos neoplásicos. Los ácidos RXR (receptor de ácido retinoico) como socio hegrasos inuencian el desarrollo de diferentes cánceres, teniendo efectos positivos o negativos según los terodimérico para unirse al DNA (Figura 7). tejidos y la variabilidad genética de los pacientes: Los elementos cis de respuesta a PPAR son motivos de repetición directa (DR-1) con exten• Mama: los AGPI n-3 tienen un efecto protector. siones 5’ con una secuencia consenso 5’-AACTA• Colon: los PPAR-γ tienen un efecto supresor. GGNCAAAGGTCA-3’. Los PPAR interaccionan con el activador 1 de los receptores de esteroides • Próstata: la activación de PPAR-γ por 15HETE produce la inhibición del crecimiento del (SRC-1), con la proteína jadora de PPAR (PBP) y tumor. con otros factores que desempeñan un papel de

1057

Capítulo 1.31.


Figura 6. Regulación de la expresión génica por la grasa dietética. AA: ácido araquidónico; AGI: ácidos grasos insaturados; AGPI: ácidos grasos poliinsaturados; AGS: ácidos grasos saturados; HETE: hidróxidos de eicosanoides trienoicos; HNF4: factor nuclear de hepatocitos 4; MCFA: ácidos grasos de cadena media; PPAR: receptor activado por proliferadores de los peroxisomas; SREBP 1c: proteína de unión al elemento regulador de esteroles; TF: factor tiroideo.

Los PPAR-γ 1 y 2 parecen ser que controlan la expresión de la acil-CoA sintasa y de proteínas relacionadas con la unión y el transporte de los ácidos grasos. Además de su unión con el RXR, para estimular la expresión de los genes que codican las proteínas para la oxidación de los ácidos grasos, también pueden controlar la expresión de los genes implicados en la maduración proteolítica de factores de trascripción como SREBP (Sterol Regulatory Element Binding P rotein) o proteínas de unión al elemento regulador de los esteroles, suprimiendo la expresión de enzimas lipogénicas hepáticas. Puesto que los PPAR sólo reconocen a los ácidos grasos libres, las enzimas acil-CoA tioesterasas, que transforman acil-CoA en ácido graso libre y CoA, son muy importantes en la regulación de su actividad. 1058

Los PPAR son los mediadores del aumento de la expresión génica de la desaturación y elongación de ácidos grasos, así como de la β-oxidación peroxisómica mediada por AGPI de las series n-6 y n-3. El PPAR- α se requiere también para la regulación de ciertas apoproteínas, translocasas de ácidos grasos, proteínas de transporte de ácidos grasos y para la inducción de enzimas mitocondriales: palmitoil-carnitina transferasa I, acil-CoA deshidrogenasas de ácidos grasos de cadena muy larga, de cadena media y de cadena corta, cetoaciltiolasa, acil-CoA sintetasa de ácidos grasos de cadena larga y enzima málica. La jación de ácidos grasos a PPAR diere del tipo celular. El ácido eicosapentaenoico (20:5n-3)


del palmítico y esteárico sobre los perles de las apoproteínas plasmáticas. El HNF4-α también se une al promotor de la L-PK, y el efecto está mediado por acil-CoA. La unión de T 3 a su receptor (TR) se inhibe in vitro de forma competitiva por la presencia de acil-CoA tanto saturados como insaturados, aunque la signicación biológica de este hecho aún no está clara. Además, se ha demostrado que los ácidos grasos de cadena media intereren con la transactivación mediada por T3 y por estrógenos. Algunos efectos de los eicosanoides son agudos Figura 7. Ligandos y activación de los PPAR. AGPI: ácidos grasos poliinsaturados; CLAS: ácido y representan cambios linoleico conjugado; PPAR: receptor activado por proliferadores de los peroxisomas. rápidos de actividad de proteínas preexistentes, se une al PPAR-α de hepatocitos primarios, pero pero otros son debidos a cambios en la expresión no así el ácido araquidónico (20:4n-6). Los ácidos génica. La PGE2 procedente del araquidonato estigrasos y algunos prostanoides inducen la diferenmula la síntesis de DNA y la mitosis por activación ciación de adipocitos, un proceso mediado por el de la expresión de los genes c-fos y Egr-1 a través aumento en los mRNA que codican enzimas lipode una vía mediada por proteína kinasa C, y el génicas a través de PPAR- γ 2. propio araquidonato suprime la expresión de FAS Aunque los PPAR inducen muchos genes, tamy S14, en adipocitos 3T3. Otros estudios sugieren bién reprimen la expresión de otros como los de la que el araquidonato y sus eicosanoides derivados apoproteína CIII (apo CIII), transferrina, S14 y L-PK. regulan la expresión de genes independientemente Por otra parte, evidencias recientes han demostrade las proteínas G. Asimismo, como anteriormendo que, además de los PPAR, otros receptores te se ha comentado, muchos genes implicados en nucleares como HNF4, los receptores de tiroxina la respuesta inamatoria como el de la ciclooxi(TR) y los receptores de estrógenos interacciogenasa COX-2, citokinas y moléculas de adhesión nan con los ácidos grasos o con sus metabolitos requieren la unión a NF-κB y su posterior jación y regulan la expresión de numerosos genes. Los a elementos de respuesta en sus promotores. heterodímeros de PPAR con RXR compiten con el Todos estos estudios indican que los ácidos factor HNF4 por unirse a elementos DR-1 en los grasos de la dieta pueden afectar la producción promotores de la apo CIII y de la transferrina. Al de citokinas proinamatorias y de moléculas de contrario de lo que ocurre con los ácidos grasos adhesión en las células endoteliales y musculares libres, el palmitoil-CoA se une al HNF4-α, mientras de los vasos a través de dos vías, PPAR y ciclooxique no se une a PPAR y XRX. El palmitoil CoA genasa, que intereren con las señales mediadas estimula, y el estearoil CoA inhibe, la unión del por NF-κB. HNF4-α al elemento DR-1 del gen de la apo CIII, lo Los ácidos grasos de cadena corta (AGCC) que coincide con los conocidos efectos dietéticos también parecen modular la expresión génica. 1059

Capítulo 1.31.


La inyección por vía parenteral de AGCC a ratas con resección del 80% del intestino conduce a un aumento de mRNA de proglucagón ileal y de GLUT-2. Asimismo, en perros diabéticos la ingesta de bra, la cual es fermentada en el colon hasta AGCC, aumenta la expresión génica de proglucagón PGL-1. El efecto del butirato sobre la expresión de citokinas intestinales parece estar mediado por su capacidad de acetilación de las histonas y alteración de la estructura de los nucleosomas. Por otra parte, los oxiesteroles interaccionan con los receptores LXR aumentando la expresión del gen del citocromo CYP7A, dando lugar a un aumento en la síntesis de ácidos biliares. Además, esta acción aumenta la expresión de la proteína de intercambio de colesterol cuyo papel es fundamental en el transporte inverso de colesterol. Por el contrario, la competencia entre AGPI y los oxiesteroles reduce la expresión de SREBP1c y, por tanto, de las enzimas clave que regulan la lipogénesis.

5. Regulación de la expresión génica por aminoácidos y otros compuestos nitrogenados 5.1. Aminoácidos

En las bacterias, la depleción de un solo aminoácido conduce al aumento de la transcripción de genes que codican para las enzimas de la correspondiente vía biosintética. En las levaduras, además del control especíco de genes implicados en la síntesis de aminoácidos, existe un mecanismo de control general del metabolismo nitrogenado (GCN: General Control Process of Nitrogen) que implica a más de 30 genes en nueve vías biosintéticas diferentes. En los mamíferos, un cambio en la concentración de un aminoácido o de uno de sus metabolitos puede modular la actividad enzimática a través de procesos hormonales o nerviosos complejos, más que por control directo de la transcripción o traducción. No obstante, existen evidencias del control directo de varios genes por aminoácidos. 1060

Así, la presencia del sistema A de transporte de aminoácidos neutros dependiente de Na, presente en casi todas las células de mamíferos, es proporcional a la concentración extracelular de aminoácidos, y el ayuno aumenta su expresión mientras que la realimentación la disminuye. Por otra parte, parece que el nivel de carga de los t-RNA es un factor determinante en las señales mediadas por aminoácidos para los mecanismos de control especícos ocasionados por la depleción de aminoácidos concretos. Existen varios genes que codican para proteínas ribosómicas, que están regulados por la disponibilidad de aminoácidos. Éste es el caso de los genes L17 y S25, que codican proteínas para la subunidad ribosómica 60S. La Gln, el Asp y el aminoisobutírico son los represores más efectivos de la inducción de L17, al igual que ocurre con la AS, lo que sugiere un mecanismo de sensibilización común para varios genes dependientes de la disponibilidad de aminoácidos. En estudios recientes, se ha demostrado que la adición de glutamina a fórmulas de uso enteral y parenteral aumenta las concentraciones de glutamina en sangre, mejora el balance nitrogenado y la proliferación celular, y disminuye la incidencia de infecciones y la duración de las estancias hospitalarias. La suplementación con glutamina reduce la muerte celular provocada por shock térmico, induciendo especícamente las proteínas hsp 70 y 72 en las células intestinales, mientras que la privación de glutamina induce apoptosis de los enterocitos. Sin embargo, se desconocen los mecanismos moleculares íntimos de cómo la glutamina puede modular directamente la expresión de estos y otros genes. Un creciente número de ejemplos indica que muchos genes se regulan en varios pasos que incluyen la transcripción, el procesado postranscripcional, la exportación nuclear y la traducción de los mRNA maduros. La traducción en sí misma es regulada por un conjunto de mecanismos que actúan no sólo en la fase de iniciación sino también en las fases de elongación y de terminación (ver Capítulo 1.6). La disponibilidad de aminoácidos de la dieta desempeña un papel crucial en algunos de los mecanismos reguladores implicados en la fase de iniciación de la traducción, así como en la selec-


ción de los mRNA que van a ser traducidos y la proporción de traducción de los mismos. Se han descrito varios ejemplos de la inducción de genes tras eliminar la ingesta de aminoácidos en células de mamíferos. Sin embargo, muy pocos de ellos han sido estudiados a nivel molecular. La mayor parte de la información existente sobre la regulación de la expresión génica por aminoácidos ha sido obtenida de estudios de los genes CHOP y AS. 5.1.1. Gen CHOP

(C/EBP Homologous P rotein) es una proteína nuclear relacionada con la familia de los factores de transcripción C/EBP ( CCAAT/ Enhancer Binding P rotein) que dimeriza con otros miembros de su familia y que está involucrada en la apoptosis celular. La expresión del gen CHOP se ve fuertemente afectada por el estrés celular causado por estrés oxidativo y el deterioro del DNA. Asimismo, la expresión también se afecta tanto a nivel transcripcional como postranscripcional por la supresión de los aminoácidos de la dieta. En el promotor del gen CHOP se ha identicado un elemento de respuesta a aminoácidos denominado AARE ( Amino Acid Response Element) entre los nucleótidos -313 y -295, el cual es capaz de inducir la expresión en respuesta al ayuno total de aminoácidos. La secuencia de AARE (5’-ATTGCATCA-3’) muestra cierta similitud con los sitios cis especícos de unión de las familias de factores de transcripción C/EBP y ATF/CREB. Entre estos factores sólo el ATF2 y el ATF4 están involucrados en la regulación dependiente de los aminoácidos por el AARE. El ATF2 es un factor de transcripción que posee un dominio de cremallera de leucina que le permite heterodimerizar con otras proteínas del tipo cremallera b (b-Zip). Su capacidad de activación génica se regula vía fosforilación de dos restos de treonina y uno de serina (residuos Thr-69, Thr-71, y Ser-90). En respuesta a una supresión de aminoácidos, y en particular de leucina, se induce la fosforilación del ATF2 en células humanas. Los resultados de varias investigaciones sugieren que la fosforilación del ATF2 es necesaria para que el gen CHOP se exprese. Sin embargo, el factor de transformación de los broblastos TGF-β conoCHOP

cido por inducir la fosforilación de ATF2, es incapaz de inducir la regulación dependiente del AARE en respuesta a una eliminación de aminoácidos, mostrando, así, que la fosforilación de ATF2 es necesaria pero no suciente. La kinasa responsable de la fosforilación del ATF2 en condiciones de ayuno no ha sido todavía identicada. En la vía GCN de hongos, la kinasa denominada GCN2 se activa en respuesta al ayuno de aminoácidos. De hecho, la acumulación de tRNA libres durante la privación de aminoácidos es capaz de activar a la GCN2. La kinasa homóloga en mamíferos también ha sido caracterizada hace pocos años y sus características son similares a la de los hongos, induciéndose bajo condiciones de suministro limitante de aminoácidos. Recientemente, se han obtenido ratones homocigóticos para el gen Gcn2 alterado, los cuales son viables, fértiles y no presentan anormalidades fenotípicas bajo condiciones estándar de crecimiento. Sin embargo, si los ratones knock-out son alimentados con una dieta deciente en aminoácidos, las mortalidades pre y neonatal aumentan signicativamente. Por tanto, los resultados de estos estudios sugieren un importante papel de la kinasa GCN2 in vivo sobre la adaptación de los organismos a la privación de aminoácidos. Recientemente, se ha identicado al ATF4 como el primer regulador de la expresión del gen CHOP bajo circunstancias de inhibición del inicio de la traducción. Así, como se detallará más adelante, varias señales de estrés, entre ellas la privación de aminoácidos, inducen las kinasas del factor de iniciación de la traducción en los organismos superiores, eIF-2α, tales como GCN2, PKR, PERK o HRI. En caso de privación de aminoácidos, la fosforilación de eIF-2α por GCN2 inhibe el inicio de la traducción pero, paradójicamente, aumenta la traducción de ATF4 por un mecanismo similar al de GCN4 en hongos. A pesar de que ATF4 es necesaria para la inducción de la expresión del gen CHOP en respuesta a la supresión de leucina en la dieta, ésta tampoco es suciente. Además, se ha demostrado que ATF4, una vez inducido por la privación de leucina u otro tipo de estrés, es capaz de interaccionar in vitro con el AARE del gen CHOP . No obstante, esta interacción conduce a la activación génica sólo cuando el ATF4 ha sido inducido por la eliminación de aminoácidos en la dieta. 1061

Capítulo 1.31.


5.1.2. Gen de la asparragina sintetasa (AS)

La gran mayoría de las células de los mamíferos expresa la enzima asparragina sintetasa (AS), responsable de la síntesis de asparragina (Asn) a partir de la glutamina y aspartato. Como el gen CHOP , la transcripción del gen AS aumenta en respuesta a una falta de aminoácidos o de glucosa. Se ha identicado la región del promotor de AS, situada en -70 a -64, donde hay un elemento cuya secuencia es 5’CATGATC-3’, necesario para la regulación dependiente de la ausencia o la presencia de aminoácidos. Asimismo, se ha demostrado que esa secuencia también es responsable de la inducción de AS por la ausencia de glucosa. Esta secuencia se ha denominado NSRE-1 (Nutrient-Sensing Response Element 1). Por otro lado, el análisis del promotor indica que existe una segunda secuencia, 11 nucleótidos “gen abajo” del NSRE-1, que es también requerida para la activación en respuesta a la privación de aminoácidos y de glucosa. Esta segunda secuencia es conocida como NSRE-2, y la unidad genómica resultante de NSRE-1 y NSRE-2 ha sido denominada NSRU (Nutrient-Sensing Response Unit). Los niveles de tRNA-Asn descienden cuando varias líneas celulares se transeren a un medio exento de asparragina, y la actividad y los niveles de mRNA AS aumentan. La glutamina y otros aminoácidos en menor medida invierten la represión del gen. En la regulación de la expresión del gen AS intervienen varios elementos cis del propio gen, que afectan a la actividad del mRNA, y otros elementos situados en el promotor. En condiciones de ayuno, la magnitud del incremento en el mRNA de la AS es mucho mayor que el de proteína, lo que sugiere la existencia de un control postraducción de esta enzima. El elemento AARE del gen CHOP y la unidad NSRU del gen AS tienen muchas características comunes, entre las que se encuentra la secuencia central de CHOP AARE y AS NSRE-1, en la que sólo existe una diferencia de dos nucleótidos. Sin embargo, también existen diferencias que impulsan a pensar que la inducción de CHOP y AS mediada por la privación de aminoácidos no ocurre a través de un mecanismo único y común para ambos. De hecho, la región exacta gen abajo de CHOP AARE no muestra una similitud con el sitio del NSRE-2. Asimismo, la 1062

especicidad de los aminoácidos en relación con el grado de inducción de estos dos genes es diferente. Además, mientras que el ATF2 es esencial para la actividad del CHOP AARE bajo privación de aminoácidos, la actividad de AS NSRE-1 no es tan clara. Así pues, CHOP AARE y AS NSRE-1 son estructuralmente parecidos pero funcionalmente diferentes. 5.1.3. Control del inicio de la traducción por la biodisponibilidad de aminoácidos

La fosforilación del factor de iniciación de la traducción en los eucariotas eIF-2 supone un mecanismo fundamental en el control traduccional de la expresión génica (Figura 8) (ver Capítulo 1.6). La fosforilación de la subunidad α del eIF-2 en la Ser-51 da lugar a la supresión de la síntesis global de proteínas. El proceso de fosforilación está mediado por al menos cuatro proteínas kinasas diferentes, todas ellas activadas por situaciones de estrés celular. Así, la proteína kinasa activada por RNA de doble cadena análoga a la del retículo endoplásmico (PERK: Double stranded RNA-activated P rotein kinase-like Endoplasmic Reticulum-associated K inase) se activa en

respuesta a varias situaciones que conducen a un funcionamiento defectuoso del plegamiento proteico en el retículo endoplásmico; por ejemplo, la PERK se activa por RNA de doble cadena durante las infecciones virales. La kinasa-2 de control general no desrepresora (GCN2: General Control Non-derepressing kinase-2), una enzima que se ha conservado desde las levaduras hasta el hombre y que fosforila al eIF-2, se activa en respuesta al ayuno proteico, la limitación celular de purinas o el daño al DNA. Actuando solas o en combinación, las eIF-2α kinasas dan lugar a la hiperfosforilación de dicho factor en respuesta a una serie de situaciones tales como niveles subóptimos de glucosa, aminoácidos o suero sanguíneo, presencia de metales pesados, formación de radicales libres de oxígeno, hipoxia o condiciones hiperosmóticas. La hiperfosforilación del eIF-2α conduce a la supresión de la síntesis de proteínas a través de un mecanismo por el cual se inhibe la unión del Met-RNAi a la subunidad 40S del ribosoma. Como se describió en el Capítulo 1.6, el Met-RNAi se une a la subunidad 40S en forma de un complejo ternario con el eIF-2 y GTP. Después de cada ciclo de iniciación, el eIF-2 se libera como un complejo bi-


Figura 8. Regulación de la síntesis proteica por la disponibilidad de aminoácidos. eIF-2: factor de iniciación de la traducción en los eucariotas; eIF-2B: factor de iniciación de la traducción en los eucariotas de intercambio de nucleótidos de la guanina; eIF-4E: proteína que se une a la caperuza m 7 GTP del extremo 5’ del mRNA; eIF-4F y eIF-4G: factores de iniciación de la traducción de los eucariotas; 4E-BP 1: proteína de unión al factor eIF-4E; GCN2: kinasa-2 de control general no desrepresora; GSK3: glucógeno sintasa kinasa 3; mTOR: familia de kinasas, presentes en mamíferos, que tienen homología con la fosfatidilinositol 3-kinasa; PKB: proteína kinasa B; S6K 1: S6 kinasa 1 ;TOR: kinasa diana de la rapamicina.

nario unido a GDP, siendo intercambiado por GTP para poder funcionar en otra ronda de iniciación de la traducción. Esta reacción de intercambio de nucleótidos de la guanina está catalizada por otro factor de iniciación, el eIF-2B. Cuando el eIF-2 α es fosforilado se forma un complejo con el eIF-2B que impide la unión del Met-RNA i al ribosoma y de esta manera se inhibe la síntesis proteica. Aunque la fosforilación del eIF-2α lleva a la inhibición de la síntesis proteica, existen evidencias de que dicho proceso también conduce a la activación de la traducción de otros mRNA especícos. Así, la activación de la kinasa GCN2 por la ausencia de uno o más aminoácidos limitantes para el crecimiento da lugar a la activación de la vía de control general de los aminoácidos en levaduras y en mamíferos. Esta limitación en el suministro de aminoácidos conduce a

la activación de la traducción del mRNA del GCN4, un factor de transcripción de genes implicados en la biosíntesis de aminoácidos y otras vías metabólicas relacionadas. El mRNA del GCN4 contiene un grupo o cluster de marcos abiertos de lectura corriente arriba del gen (uORF: upstream Open Reading F rames) responsables de la inducción (desrepresión) traduccional del GCN4, hecho que sucede únicamente cuando se alcanza un umbral en la fosforilación del eIF-2α, como resultado de la activación de la GCN2. La limitación de aminoácidos activa a esta kinasa a través de un mecanismo en el que está implicada la acumulación de tRNA desacilados. Además del gen de levaduras GCN4, existen varios genes que están regulados por uORF. Por ejemplo, en la especie humana la S-adenosil-metionina descarboxilasa, una enzima clave en la síntesis 1063

Capítulo 1.31.


de poliaminas, así como los receptores del ácido retinoico, de los glucocorticoides y de los estrógenos y los receptores β2-adrenérgicos. Un modo alternativo de control de la expresión génica de la traducción mediada por la fosforilación del eIF-2α tiene lugar a través del reclutamiento del complejo de iniciación de la traducción por un codón de iniciación AUG situado en el interior del gen, más o menos cercano al extremo 3’ del mRNA, denominado sitio interno de entrada del ribosoma (IRES: Internal Ribosome Entry Site) (ver Capítulo 1.6). Aunque la existencia de IRES no es abundante en los genes de los seres superiores, sino en los virus, lo que permite que con un solo RNA se sinteticen varias proteínas, dichos elementos están presentes en algunos genes humanos como el factor de crecimiento endotelial vascular, el factor 1 α inducible por hipoxia, la proteína kinasa C-δ, el factor básico de crecimiento de los broblastos, c-myc , el inhibidor de la apoptosis ligado al cromosoma X y la ornitina descarboxilasa. Parece que la fosforilación del eIF-2 α es necesaria para la activación de la iniciación de la traducción mediada por IRES. Existe otra kinasa denominada diana de la rapamicina (TOR: T arget Of Rapamycin) que es capaz de fosforilar a tres proteínas implicadas en la unión del mRNA a la subunidad 40S del ribosoma. Éstas son: la proteína de unión al factor eIF-4E (4E-BP1: eIF-4E Binding P rotein), la proteína ribosómica 6S (rpS6: r ibosomal protein S6) y el factor de iniciación de la traducción eIF-4G. Las TOR son una familia de kinasas, presentes tanto en invertebrados como en mamíferos (mTOR), que tienen homología con la fosfatidilinositol 3-kinasa (ver Capítulo 1.5). En los mamíferos, una de las principales funciones de las mTOR es coordinar la disponibilidad de nutrientes con el crecimiento celular y la proliferación (ver Capítulo 1.32 ) y están implicadas en la regulación de la unión de los mRNA a la subunidad 40S de los ribosomas. Como se ha comentado en el Capítulo 1.6, la iniciación de la traducción está mediada por un complejo de factores de iniciación denominados eIF-4F, integrados por una helicasa de RNA (eIF4A), una proteína que se une a la caperuza m 7GTP del extremo 5’ del mRNA (eIF-4E) y una proteína que sirve de andamio (eIF-4G) para la unión con eIF-4a, eIF-3 y la proteína de unión a la cola de poliA (PABP: P oli A Binding P rotein). La unión del eIF1064

4G al eIF-3 es de especial importancia porque es a través de esta interacción cuando se produce la unión del mRNA a la subunidad 40S del ribosoma. El ensamblaje del complejo eIF-4F está regulado en parte por la asociación del eIF-4E con las denominadas proteínas de unión al eIF-4E (4E-BP), de las cuales la 4E-BP1 es el prototipo. El sitio de unión de las 4E-BP con el eIF-4E se solapa con el de eIF-4G, de manera que individualmente se pueden unir al eIF-4E, pero no ambos al mismo tiempo. Así, la unión del eIF-4E a la proteína 4E-BP impide la unión del mRNA al ribosoma, hecho que ocurre únicamente cuando la 4E-BP está hipofosforilada; las formas hiperfosforiladas de la proteína no se unen al eIF-4E. La hiperfosforilación de la 4E-BP ocurre en las células en cultivo cuando existe una privación de aminoácidos en el medio, y en particular del aminoácido esencial leucina, que es bloqueada por el inmunosupresor rapamicina. Un efecto similar se ha observado en el músculo esquelético de ratas en ayuno, en las que la provisión de proteína o de leucina estimula el ensamblaje del complejo eIF-4E y eIF-4G. Resultados similares se han obtenido en cerdos y en la especie humana, donde la administración de rapamicina o de leucina previene la fosforilación de la 4E-BP1 (Figura 8). Otro punto de control de la iniciación de la traducción en el que intervienen las mTOR es la fosforilación de la rpS6. Ésta es fosforilada directamente por una proteína denominada S6 kinasa 1 (S6K1), cuya actividad es, a su vez, regulada por la fosforilación en varios sitios, catalizada por la mTOR. En varios estudios iniciales se sugirió que la fosforilación de la rpS6 podría aumentar la síntesis proteica de manera global. Sin embargo, estudios más recientes sugieren que la fosforilación de dicha proteína aumenta la traducción de un conjunto de mRNA especícos que presentan un motivo estructural común: un segmento ininterrumpido de 715 pirimidinas adyacentes a la caperuza m 7GTP del extremo 5’ del mRNA. Las proteínas codicadas por estos mRNA incluyen proteínas ribosómicas, el eIF-4G, PABP y el factor de elongación eEF-2, todas ellas proteínas implicadas en la propia traducción. Por otra parte, la rapamicina inhibe la transcripción del DNA ribosómico. Así pues, la mTOR controla la síntesis del rRNA y de las proteínas ribosómicas, o, lo que es igual, la biogénesis de los ribosomas. La propia traducción de la mTOR podría estar regulada por la fosforilación de la rpS6. Sin embargo, pa-


rece que son necesarias otras vías de señalización, como la dependiente de PI3K. Nuevas evidencias han sugerido que los aminoácidos pueden regular una etapa de la iniciación de la traducción de manera independiente a la acción de la mTOR, ya que la rapamicina es capaz de atenuar pero no de suprimir completamente la estimulación de la síntesis proteica o el ensamblaje del complejo eIF-4E causado por la administración de leucina a ratas en ayuno. Estudios recientes sugieren que se necesita la presencia de insulina para la activación de la vía mTOR inducida por los aminoácidos de la dieta. Así, en ratas diabéticas la administración de leucina por vía oral aumenta la síntesis proteica muscular tan sólo en un 50% del valor observado en los animales sanos. Asimismo, en los animales diabéticos la leucina no es capaz de estimular la unión del eIF-4G al eIF-4E o la fosforilación de la 4E-BP1 o de la S6K1, mientras que sí lo hace en los animales controles. Los resultados de estos y otros estudios similares abundan en la idea de que la insulina mantiene un efecto permisivo en la señalización de los aminoácidos hasta las mTOR, al mantener un nivel mínimo de activación de la cascada de señales dependiente de PI3K-proteína kinasa B (PKB). Un mecanismo por el cual se regula la actividad de las mTOR es la interacción con otras proteínas tales como las proteínas de los complejos de la esclerosis tuberosa, hamartina y tuberina (TSC1 y TSC2), dos proteínas supresoras de tumores, y la proteína reguladora asociada a las mTOR, denominada RAPTOR. Los aminoácidos promueven la disociación del complejo TSC1-TSC2 de las mTOR, lo que permite la fosforilación de éstas por la PKB. Aunque los mecanismos por los que la proteína RAPTOR modula la actividad de las mTOR no se conocen totalmente, se sabe que su unión es necesaria para que la mTOR fosforile ecientemente a las proteínas 4E-BP1 y S6K1. Asimismo, se conoce que la supresión de la expresión de RAPTOR suprime la activación de la S6K1 estimulada por leucina. 5.1.4. Regulación de la expresión de factores de crecimiento por aminoácidos y otros nutrientes

Los animales en periodo activo de crecimiento cesan en su desarrollo cuando ingieren una dieta

inadecuada. El cese rápido del crecimiento no puede explicarse totalmente por un descenso en el suministro de combustibles metabólicos y de nutrientes de carácter plástico, así como por la disminución en la secreción de hormona del crecimiento (GH) y de otras hormonas implicadas en el desarrollo. Los efectos directos de diferentes contenidos de proteínas en la dieta y de aminoácidos especícos sobre la expresión génica han sido muy poco estudiados. No obstante, los datos actuales indican que la expresión del gen que codica para el factor de crecimiento análogo a la insulina (IGF-1: Insulinlike Growth F actor ) en el ser humano está regulada por la disponibilidad de algunos aminoácidos. Los niveles de IGF-1 plasmáticos y de mRNA de IGF-1 hepáticos se correlacionan con la velocidad de crecimiento y están disminuidos cuando existe un décit de nutrientes. Asimismo, los niveles de mRNA para las proteínas de jación de IGF-1 (IGFBP) están aumentados. De hecho, en adolescentes con anorexia nerviosa, el eje GH-IGF está dramáticamente alterado y los cambios en el sistema periférico de IGF son independientes de las modicaciones de la secreción de GH (ver Capítulo 1.4). Varios estudios realizados in vitro con líneas celulares hepáticas indican que la depleción de arginina, leucina o cistina induce la expresión de IGFBP-1 de forma dosis dependiente, de manera similar a lo que ocurre en pacientes humanos con kwashiorkor. Por otra parte, en ratas la restricción proteica durante la gestación conduce a alteraciones en la expresión de IGBP y de IGF-1, pero no de IGF-2, en el hígado. Además, la arginina induce la expresión del gen IGF-2 implicado en la generación y diferenciación de los microtúbulos en el músculo esquelético. Por otra parte, se ha descrito que el butirato, un ácido graso de cadena corta producido por la microbiota intestinal, aumenta la expresión de IGFBP-2, la cual se une ávidamente a IGF-2, mientras que regula negativamente la expresión de IGFBP-3, la molécula que se une más activamente a IGF-1. No obstante, aún no se conocen los mecanismos especícos, además de los señalados anteriormente con carácter general, por los que la ausencia de determinados aminoácidos modula directamente la expresión de los IGF. La nutrición inuencia la biosíntesis y secreción hepática de IGF e IGFBP, afectando directamente a los cambios proliferativos que tienen lugar en órganos especícos como el intestino y el sistema 1065

Capítulo 1.31.


inmune. Así, se ha demostrado que el IGF-1 aumenta la proliferación de células T y B y presenta una actividad quimiotáctica para los linfocitos T; además, las células intestinales producen IGFBP y, de esta manera, los enterocitos pueden inuenciar la proliferación de los linfocitos de la mucosa.

ejercer efectos decisivos en los procesos de diferenciación y crecimiento de los enterocitos directamente o indirectamente a través de cambios de la microbiota intestinal. 5.2.2. Nucleótidos

5.2. Compuestos nitrogenados no proteicos 5.2.1. Poliaminas

Las poliaminas son derivados de la ornitina y de la metionina implicadas en la multiplicación y en el crecimiento celular. Las poliaminas más importantes son la espermidina y la espermina; aunque su precursor, la putrescina, sólo tiene un grupo amino, es también considerada como tal. Por sus múltiples cargas positivas, las poliaminas se unen con facilidad a los polianiones como el DNA y el RNA estabilizando a estas moléculas y contribuyendo a su empaquetamiento (ver Capítulo 1.15). El modo por el cual las poliaminas estimulan el crecimiento no se conoce totalmente. Se ha observado que la inhibición de la síntesis de poliaminas en el intestino delgado aumenta la expresión génica del antioncogén p53, lo que se asocia a un paro de la fase del ciclo celular G1, aunque no se ha demostrado un efecto apoptótico concomitante. Así, parece que el descenso en el contenido de poliaminas en el intestino inhibe la renovación celular por modulación de la expresión génica. Durante el ayuno prolongado en animales de experimentación o por efecto de la cirugía, se produce una reducción del peso de la mucosa y de los contenidos de DNA, proteínas y poliaminas; el contenido de putrescina se reduce en un 50% asociado a una disminución en la proliferación celular, y la inducción del crecimiento celular por realimentación coincide con un incremento rápido en la actividad de la ornitina descarboxilasa. La presencia de poliaminas es esencial en el proceso de reparación tanto de la mucosa gástrica como del intestino dañados, y su función es estimular la mitosis celular permitiendo la migración de células viables. Se desconocen muchos de los efectos de las poliaminas exógenas en el intestino, pero no es descartable que estos compuestos, abundantes en algunos alimentos como la leche humana, puedan 1066

Los nucleótidos de la dieta desempeñan funciones fundamentales en el crecimiento y desarrollo de algunos tejidos con una tasa elevada de recambio tales como el intestino y sistema inmunológico. Así, numerosas evidencias indican que los nucleótidos exógenos modulan la proliferación celular y la diferenciación. Por ejemplo, los nucleótidos de la dieta afectan positivamente el crecimiento, desarrollo y reparación del intestino delgado de animales durante el destete, mientras que la administración de una dieta deciente en nucleótidos a ratas jóvenes disminuye los contenidos de DNA y de proteína, y la actividad de disacaridasas, en el intestino delgado. Asimismo, la presencia de nucleósidos aumenta la actividad de las disacaridasas intestinales y la fosfatasa alcalina en líneas celulares embrionarias de intestino. Además, en ratas recién destetadas con diarrea crónica provocada por ingesta de lactosa, la suplementación de nucleótidos a la dieta aumenta el contenido de DNA y la actividad de las disacaridasas. Por otra parte, los nucleótidos de la dieta inuencian la maduración, activación y proliferación de los linfocitos, estimulan la función fagocítica de los macrófagos, modulan la respuesta de hipersensibilidad retardada, las respuestas a injertos y tumores, la producción de inmunoglobulinas y la respuesta a la infección ( ver Capítulo 1. 16 ). Le Leiko et al. describieron en los años 80 del pasado siglo que los nucleótidos de la dieta aumentaban la expresión del gen HGPRT en el intestino delgado, cuya proteína, denominada hipoxantina fosforribosiltransferasa, cataliza la recuperación de bases púricas. Los niveles de mRNA de la HGPRT aumentan también en células embrionarias de rata IEC-18 en presencia de nucleósidos y se ha podido identicar una región de 35 pares de bases en el gen promotor de HGPRT responsable de la respuesta a nucleótidos, aunque se desconoce el factor de transcripción implicado. Utilizando experimentos in vivo con dietas semipuricadas exentas o suplementadas con nu-


cleótidos recientemente se ha observado que la expresión de los genes de los transportadores activos CNT1 (que transporta preferentemente pirimidinas) y CNT2 (que transporta preferentemente purinas) se regula por el contenido nucleotídico de la dieta. En el caso del transportador CNT2, los niveles de mRNA y de proteína disminuyen tanto en intestino como en hígado cuando los animales se alimentan con una dieta exenta de nucleótidos. La expresión del transportador CNT2 está ligada al ciclo celular, y en condiciones de regeneración tisular, como en la hepatectomía parcial, se expresa de forma abundante en los hepatocitos. Para el transportador CNT1 se han encontrado niveles adicionales de regulación. Así, mientras en hígado el CNT1 se regula de igual manera que el CNT2, en el intestino se constata una reducción del mRNA con cantidades elevadas de proteína. Estos hallazgos sugieren que en el intestino existe una regulación postranscripcional para el CNT1 y que el comportamiento diferente respecto al hígado puede ser una consecuencia de la mayor capacidad biosintética de nucleótidos de este último órgano y la escasa capacidad de síntesis de novo del intestino. De esta forma, la regulación negativa en hígado ocurre cuando no existen nucleótidos disponibles en la dieta, mientras que determina una mayor captación en el intestino con objeto de compensar la baja capacidad de síntesis. La regulación de la expresión de los transportadores de nucleósidos por la dieta es relevante en Nutrición Clínica, ya que numerosos fármacos utilizados en la terapia antiviral y anticancerosa son derivados nucleotídicos que utilizan estos transportadores. En cultivos de intestino fetal humano, la adición de AMP al medio de cultivo suprime la proliferación de las células de las criptas, aumenta la diferenciación y hay una inducción de la apoptosis paralela a una mayor expresión del gen Bax y una menor expresión del gen bcl-2. Por otra parte, estudios recientes han puesto de maniesto que la presencia de nucleósidos en el medio de cultivo de células embrionarias de intestino de rata IEC-6 disminuye la expresión del gen RHO E; este gen codica una GTP-asa cuya expresión es elevada en células intestinales poco diferenciadas. Estos hallazgos indican que los nucleótidos de la dieta pueden contribuir al control del recambio celular intestinal dirigiendo la diferenciación de los ente-

rocitos a través de la modulación de la expresión génica. Por otra parte, los nucleótidos de la dieta inuencian el patrón de expresión de marcadores antigénicos de supercie y de citokinas de las células linfoides intestinales, tanto de la lámina propia como de los linfocitos intraepiteliales y de las placas de Peyer (ver Capítulo 1.16). Este hecho es probablemente el responsable de la mayor producción de inmunoglobulinas observada en los recién nacidos alimentados con fórmulas lácteas suplementadas con nucleótidos. Se desconoce el mecanismo molecular por el que los nucleótidos afectan el patrón de secreción de citokinas en los linfocitos intestinales y en las células B-1 peritoneales, pero se piensa que la utilización activa de los nucleótidos exógenos por la vía de recuperación altera el pool intracelular de nucleótidos, lo que determina cambios en la expresión génica. Los nucleótidos de la dieta también afectan el control de crecimiento y funcionamiento del hígado. El hígado puede mantener el pool de nucleótidos mediante síntesis de novo cuando no existe una provisión exógena de nucleótidos, pero en condiciones normales la síntesis por la vía de recuperación es muy activa. Así, la privación de nucleótidos en la dieta conduce a una menor síntesis proteica a través del descenso en el RNA y en el número de ribosomas, aunque se desconoce si los nucleótidos, y particularmente la carga energética, regulan la expresión de genes ribosómicos como ocurre en los organismos procariotas. Como en el caso del intestino, se han descrito efectos reparadores y preventivos de los nucleótidos en modelos de daño hepático ( ver Capítulo 1.16). Los nucleótidos de la dieta aumentan el porcentaje de hepatocitos binucleados y disminuyen la esteatosis y brosis en modelos animales de cirrosis hepática. El efecto antibrogénico se debe a una inhibición de la expresión del factor inhibidor de las metaloproteasas (TIMP-1), aunque se desconocen los mecanismos moleculares implicados en este proceso. Al menos in vitro los nucleósidos exógenos modulan la expresión de genes de la matriz extracelular en células estelares hepáticas, así como de albúmina. La adenosina, la guanosina y sus nucleótidos mono, di y trifosfato estimulan la proliferación de astrocitos de pollo y de líneas celulares humanas de astrocitoma. Los efectos están mediados a través de receptores purinérgicos P2Y, y pueden ser 1067

Capítulo 1.31.


abolidos mediante antagonistas de estos receptores. Asimismo, la guanosina, el GTP y el ATP estimulan el crecimiento de neuritas y estimulan la liberación de factor de crecimiento nervioso (NGF) en un proceso mediado por receptores P1, o por P2X en el caso del ATP. Además, los nucleótidos extracelulares UTP y UDP interaccionan con receptores del tipo P2Y en el endotelio vascular y generan una cascada de señales que da lugar a una Figura 9. Modulación de la expresión génica mediada por nucleótidos de la dieta. APRT: adenovasodilatación y a sina fosforribosiltransferasa; HGPRT: hipoxantina-guanina fosforribosiltransferasa; TIMP: inhibidores la menor prolife- de las metaloproteasas. ración de las células del músculo liso de los vasos, un proceso que con detalle los efectos siológicos de estas vitaparece estar mediado por la presencia de varios minas, así como los mecanismos moleculares de factores de transcripción (ver Capítulo 1.16). actuación que inuencian la expresión génica. No La Figura 9 esquematiza los principales genes obstante, en las Figuras 10 y 11 se muestra un regulados por los nucleótidos de la dieta y los meesquema abreviado de las acciones de la vitamina canismos implicados. A y D en la modulación de la expresión génica. Las funciones siológicas y bioquímicas de la vitamina E han sido objeto de consideración en el Capítulo 1.20. Por lo que se reere a las acciones de la vitamina E sobre la expresión génica, durante 6. Regulación de la la última década se han acumulado evidencias de expresión génica por que el α-tocoferol inhibe la proliferación de las vitaminas y minerales células del músculo liso de las paredes arteriales a través de la modulación de la actividad de la proteína kinasa C (PKC). Asimismo, se ha descrito que 6.1. Vitaminas la vitamina E inhibe la PKC en muchos otros tipos Tanto la vitamina A como la vitamina D de células tales como los monocitos, los neutróactúan como verdaderas hormonas y su acción los, los broblastos y las células mesangiales. La sobre la expresión de muchos genes se ejerce inhibición de la PKC está ligada a la activación de la por unión a receptores nucleares en numerosos proteína fosfatasa 2A, que desfosforila a la subuniórganos. En los Capítulos 1.23 y 1.24 se consideran dad α de la PKC. 1068


Figura 10. Regulación de la expresión génica mediada por vitamina A. at: all trans ; c: cis ; CRABP: proteínas citosólicas jadoras de ácido retinoico; CRBP: proteínas citosólicas jadoras de retinol; RA: ácido retinoico; Ral: retinal; Rol: retinol; RAR y RXR: receptores de ácido retinoico.

Por otra parte, se ha observado que tanto el α como el β-tocoferol inducen en el hígado la expresión de la proteína de transferencia de α-tocoferol. Además, los tocoferoles modulan la expresión del colágeno α1 y de la colagenasa, así como los genes que codican para la α-tropomiosina. Recientemente, se ha descubierto que el αtocoferol regula la expresión génica a través de un factor de transcripción asociado a tocoferoles (TAP: T ocopherol Associated P rotein). No obstante, la acción inhibidora de la vitamina E en la activación del factor de transcripción nuclear de los linfocitos B (NF-κB), un potente mediador de la inamación involucrado en la expresión génica de varias citokinas (TNF-α e IL-1), factores de crecimiento (M-CSF, G-CSF), quimioatrayentes (MCP-1) y moléculas de adhesión (ICAM-1 y VCAM-1), parece ser debido a la inhibición de la translocación desde el citoplasma al núcleo. En los últimos años, se ha observado que algunas vitaminas hidrosolubles actúan como moduladoras especícas de la expresión génica. Dentro de este grupo se encuentran la biotina, la vitamina

B6 y la vitamina C, cuyas propiedades siológicas y bioquímicas han sido consideradas detalladamente en los Capítulos 1.20 y 1.21. La deciencia de biotina causa tasas disminuidas de proliferación celular, función inmune dañada y desarrollo fetal anormal. Estudios de expresión génica han sugerido que la biotina afecta a la transcripción de los genes que codican citokinas. Así, la suplementación con biotina en adultos sanos disminuye la secreción de citokinas del tipo IL-2 e IL-l en células mononucleares periféricas humanas y sus receptores. Asimismo, la biotina afecta la expresión de genes implicados en el metabolismo de la glucosa, induciendo la transcripción del gen de la glucokinasa, mientras que reprime el gen que codica la PEPCK, produciendo efectos comparables a la acción de ciertas hormonas. Además, la biotina afecta a la expresión del receptor de la asialoglicoproteína (ASGR) y al receptor de la insulina, a nivel postranscripcional. Por otra parte, la biotina actúa como modulador de la expresión génica de las proteínas implicadas en su transporte o en su acción como grupo 1069

Capítulo 1.31.


Figura 11. Regulación de la expresión génica mediada por vitamina D. AP: fosfatasa alcalina; 1,25D-R: receptor de 1,25 dihidroxicolecalciferol. CaBP: proteína de unión a calcio; 24-OHasa: 24 hidroxilasa de calciferol.

prostético, tales como la propionil CoA carboxilasa (PCC) y la metil-crotonil CoA carboxilasa (MCC) a nivel postranscripcional, y a nivel transcripcional sobre la holocarboxilasa sintetasa (HCS). Se ha propuesto una ruta dependiente de HCS que regula la expresión de los genes que codican las carboxilasas biotina dependientes (Figura 12). La biotina también actúa biotinilando histonas que por analogía con otras modicaciones de estas proteínas, podría llevar a un aumento de la transcripción del DNA. Así, se ha demostrado que la biotinilación de histonas ocurre in vivo en células humanas, y que hay una biotinilación aumentada en respuesta a la proliferación celular. La vitamina B6 inuye sobre diferentes propiedades bioquímicas de los receptores de hormonas esteroideas, pudiendo servir como modulador de acción de estas hormonas y por tanto regular la expresión génica de un sinfín de proteínas. Varios estudios realizados tanto en tejidos como en homogenados celulares, han demostrado que 1070

el piridoxal-fosfato (PLP) inuye sobre diferentes propiedades bioquímicas de los receptores de hormonas esteroideas, incluyendo su conformación molecular, su carga supercial y la susceptibilidad a la proteólisis. Además, el PLP afecta tanto a la localización subcelular como a la capacidad de unión al DNA de los receptores esteroideos. Asimismo, el PLP modula la expresión de una amplia gama de genes respondedores a hormonas. Los detalles de los mecanismos responsables se hallan en proceso, pero se sabe que reprime a nivel transcripcional la expresión de genes que codican los receptores de las hormonas esteroideas. Por otra parte, se ha propuesto que la vitamina B6 actúa como modulador de la expresión del gen de la albúmina por un mecanismo que implica la inactivación de factores de transcripción especícos de tejidos por la interacción directa con PLP. El ácido ascórbico se requiere para la expresión del colágeno, posiblemente aumentando directamente la transcripción por la interacción con un elemento cis-


regulador ácido ascórbico-especíco en los genes del procolágeno. Además, se ha observado que el ácido ascórbico actúa como represor de la expresión del gen de la colagenasa IV o metaloproteasa 2 (MMP-2) a nivel transcripcional, sugiriéndose que la deciencia de esta vitamina pueda ser un factor signicativo en la degradación elevada de colágeno observada en mujeres embarazadas con ruptura prematura de la membrana amniótica. Por otra parte, la deciencia de esta vitamina, disminuye las concentraciones del mRNA de la apopoliproteína A-I (apo A-I) en hígado, principal proteína constituyente de las lipoproteínas de alta densidad (HDL), involucrada en la activación de la enzima colesterol aciltransferasa. Además, en cobayas se ha observado que el décit de ácido ascórbico disminuye la expresión de mRNA del citocromo P-450, especícamente de los subtipos 1A1 y 1A2. Se ha observado que, en células cultivadas de neuroblastoma, la presencia de ácido ascórbico da lugar a un aumento considerable en la expresión del gen de la tirosina hidroxilasa, mientras que la expresión del gen de la dopamina hidroxilasa no se altera, dando como resultado la síntesis aumentada de 3,4-dihidroxifenilalanina (DOPA) y dopamina.

Estos resultados sugieren que el ácido ascórbico quizá sea un componente dietético útil en el tratamiento de la enfermedad temprana de Parkinson. 6.2. Minerales

Varios elementos metálicos considerados nutrientes como cobre, zinc y hierro, y algunos no nutrientes, como el cadmio, el arsénico y el mercurio, actúan modulando la expresión génica, agrupándose en tres clases según su modo de acción: • La primera clase es estructural: los metales facilitan la conformación necesaria a determinadas proteínas, lo cual permite su interacción especíca con varios ligandos, incluido el DNA. Un ejemplo son las proteínas en forma de “dedos de zinc” característica de muchos factores de transcripción que interaccionan con hormonas tales como el ácido retinoico, el calcitriol, las hormonas esteroideas o las hormonas tiroideas, aunque hay que resaltar que no todas las proteínas con dedos de zinc están implicadas en la regulación génica. • La segunda clase corresponde a las metaloenzimas, en las que el elemento metálico forma parte del centro activo. Aquí se encuentran las RNA polimerasas I, II y III, que tienen zinc como grupo prostético. • La tercera clase está constituida por los metales traza que actúan como elementos reguladores de transcripción o de la traducción. En esta clase se incluye la regulación de la expresión génica del receptor de la transferrina y de la ferritina por hierro. La acción que ejercen los metales sobre el DNA puede ser directa, Figura 12. Regulación de la expresión génica mediada por biotina. a través de la ac1071

Capítulo 1.31.


Figura 13. Región reguladora del gen de la metalotioneína humana. El promotor contiene varios elementos de regulación a los cuales se unen factores de transcripción. GRE: elemento de respuesta a glucocorticoides; BLE: elemento de nivel basal; GC: caja GC; TATA: caja TATA.

tivación de factores de transcripción, o indirecta, a través de segundos mensajeros, caso del calcio, AMPc o tirosina kinasas. La presencia de cantidades relativamente elevadas de metales en la célula, derivada de una ingesta excesiva, conduce a la expresión de unas proteínas denominadas metalotioneínas (MT). Asimismo, algunas citokinas, factores tumorales y ciertas hormonas inuencian la expresión génica de las MT, tanto in vivo como in vitro. Además, se observa un aumento de los niveles de MT en el hígado de animales sometidos a diversos tipos de estrés. Por otra parte, la síntesis de metalotioneína y las concentraciones siológicas aumentan transitoriamente de 4 a 6 veces durante la proliferación celular. Las MT han recibido su designación por su contenido prominente de metales y de azufre, que alcanza el 20% de su peso. Las formas de los mamíferos tienen alrededor de 20 restos de cisteína (Cys) unidos a un total de siete equivalentes de iones divalentes del metal. Todas las Cys están en forma reducida y se coordinan con los iones metálicos a través de enlaces de tipo sulfuro, formando “racimos” de metal-tiolato. Las MT son familias genético-polimorfas que comprenden varias subfamilias, cada una de ellas con varios subgrupos y, dentro de éstos, varias isoformas. En vertebrados todos los genes de la MT se dividen en una región que anquea el extremo

1072

5’ (5’-UT), una región sin traducir 5’ (5’UTR), 3 exones de codicación separados por 2 intrones, y un extremo 3’. Los mamíferos poseen los genes de cuatro subfamilias, el Mt-1 y Mt-2 ubicuos, el Mt-3 especíco del cerebro y el Mt-4 en el epitelio escamoso. Todos están situados en un solo cromosoma, el 8 en el ratón y el 16 en el ser humano. En la región 5’UT, todos los genes de las MT tienen una zona reguladora o gen promotor en el que abundan los MRE, los cuales interaccionan con una proteína metalorreguladora denominada en mamíferos factor de trascripción dependiente de metales (MTF-1: Metal T ranscription F actor-1), factor de unión a metales (MBF-1: Metal Binding F actor ), proteína de unión a MRE (MRE-BP: MRE Binding P rotein ) o proteína activada por zinc ZAP ( Z inc Activated P rotein ). El zinc parece que se une a las proteínas reguladoras creando una estructura tetraédrica que permite su unión a los MRE. Asimismo, en el promotor existen otros elementos cis de respuesta a hormonas esteroideas, tiroideas y a varios factores de transcripción generales (Figura 13). El zinc y otros elementos metálicos traza, como el cobre y el cadmio, están implicados en la regulación de la expresión de varios genes a través de MRE (ver Capítulo 1.29). La restricción de cobre en la dieta causa una cardiomiopatía hipertróca similar a la inducida por sobrecarga del trabajo en ratones modelo. En


Figura 14. Regulación de la expresión génica en la biosíntesis de hemo, ferritina, y receptor de transferrina mediada por hierro. ALAS: aminolevulínico sintasa; Cit: citrato; Isocit: isocitrato; Hb: hemoglobina; IRE-BP: proteína de unión al elemento de respuesta al hierro; Isocit: isocitrato; Mb: mioglobina.

los ventrículos izquierdos aumentan los mRNA del péptido natriurético atrial y de la cadena pesada de la β-miosina, así como la actina del citoesqueleto. Además, la deciencia del Cu activa la expresión del oncogén c-myc en el ventrículo izquierdo.

Por otra parte, el selenio inuencia la expresión de varias selenoproteínas de importancia siológica, entre las que se encuentran las glutatión peroxidasas, las yodotironina deyodinasas, las tiorredoxina reductasas, la selenofosfato sintetasa-2 y las selenoproteínas N, P, R, T, W y X. La biosíntesis de estas proteínas es dependiente de la biodisponibilidad de selenio y, en consecuencia, de la formación de tRNA-selenocisteína. En la deciencia de selenio, el codón UGA es interpretado como un codón de parada, lo que resulta en la terminación prematura de la cadena polipeptídica (ver Capítulo 1.30). Por otra parte, utilizando microchips de DNA, se ha descrito recientemente que la deciencia de selenio afecta también la expresión de la UDP-glucuroniltransferasa-1 y la isoenzima 2 de la bilirrubina UDP-glucuronosiltransferasa. Estas dos enzimas son conocidas por su papel importante en la detoxicación de xenobióticos. Además, también se induce el citocromo P-450 4B1 y la 12-lipooxi-

genasa del ácido araquidónico. Es bien conocida la regulación hepática postranscripcional de los receptores de la transferrina y de la ferritina por niveles de hierro (Figura 14). Los mecanismos detallados por los que el hierro modula la expresión de ferritina y de los receptores de transferrina han sido ya considerados detalladamente (ver Capítulo 1.7 ). La Tabla 5 resume los genes cuya expresión génica se regula por hierro.

7. Regulación de la expresión génica por otros componentes alimentarios 7.1. Factores proteicos de la leche humana

Una alteración en el fenotipo de los enterocitos secundaria a la presencia de determinados factores nutricionales puede representar varias ventajas. Así, en los mamíferos, la leche materna, además de ser una fuente excepcional de nutrientes, contiene toda una serie de factores especícos que 1073

Capítulo 1.31.


Tabla 5. GENES REGULADOS POR HIERRO Forma de Fe

Regulador

Nivel

Gen modulado

Fe Fe Fe Fe Fe Hemo Hemo Hemo Hemo Hemo

? IRE-BP IRE-BP IRE-BP IRE-BP ? HPX HPX HCI HRM

Trc Trd Trd Trd Trd Trc Trc Trc Trd Trd

Ferritina Receptor transferrina Ferritina ALAS Aconitasa ALAS, citocromo P-450 b/c Hemooxigenasa Metalotioneína β-globina ALAS

IRE-BP: proteína de jación al elemento de respuesta a Fe; Trc: transcripcional; Trd: traduccional; ALAS: aminolevulinato sintetasa.

determinan un patrón de expresión génica particular que inuencia el desarrollo y la maduración del epitelio intestinal. En segundo lugar, el intestino puede adaptarse a absorber nutrientes de una manera más eciente si las enzimas digestivas y los transportadores son regulados positivamente por la ingesta repetida de un nutriente particular. En tercer lugar, si los genes afectados en el epitelio son importantes bajo el punto de vista inmunológico, el intestino podría inuenciar las respuestas inmunes de las mucosas y, por consiguiente, el sistema inmune sistémico. La leche humana contiene, además de todos los nutrientes necesarios para el crecimiento del lactante, numerosos factores proteicos que inuencian la expresión génica. Varios factores de crecimiento y hormonas, como el factor de crecimiento epidérmico (EGF), aumentan la actividad enzimática del borde en cepillo de los enterocitos y su crecimiento y diferenciación. El EGF actúa sinérgicamente con los hidratos de carbono de la dieta y los glucocorticoides, aumentando la actividad de la sacarasa, e incrementa la síntesis de DNA en el epitelio intestinal, especialmente durante la fase de lactación. Por otra parte, la lactoferrina, una proteína resistente a la acción proteolítica de las enzimas digestivas, responsable de la mayor biodisponibilidad del hierro en los niños alimentados al pecho, aumenta la expresión de sus receptores en células intestinales deplecionadas de hierro, elevando la cantidad de hierro transportado a los enterocitos. Además, la lactoferrina actúa como un factor de 1074

proliferación para linfocitos, broblastos de embrión de ratón y de rata, células de cripta de rata y células humanas HT-29, y aumenta la actividad de sacarasa y fosfatasa alcalina dependiendo de su grado de saturación con hierro. La lactoferrina se une a sitios especícos del DNA en linfocitos cultivados in vitro; existe, por tanto, la posibilidad de que la lactoferrina de la leche humana entre en la célula intestinal a través de la internalización de su receptor y afecte varios genes implicados en la proliferación y la diferenciación celular. 7.2. Isoavonas

Las isoavonas son un tipo de avonoides, caracterizadas porque en su estructura básica tienen dos anillos aromáticos unidos por tres carbonos y varios de los carbonos de los anillos A y B están hidroxilados, lo que les conere propiedades antioxidantes ( ver Capítulo 1.20). Las isoavonas están presentes en los alimentos principalmente como glucósidos, pero durante la digestión se liberan los aglicones. En la soja, los aglicones principales son la daidzeína, la genisteína y la gliciteína, los cuales son absorbidos en una proporción relativamente baja (10-50%) y excretados por la orina principalmente en forma de glucurónidos y de sulfatos, aunque una parte de ellos sigue la circulación enterohepática. Las isoavonas, a menudo llamadas toestrógenos, se unen a los receptores de estrógenos


Figura 15. Efectos biológicos de los esngolípidos de la dieta.

actuando como agonistas antagonistas o moduladores de la acción estrogénica, dependiendo del tejido, del tipo y concentración de la isoavona y del estado hormonal del sujeto. Dado el papel de las hormonas esteroideas, y particularmente de los estrógenos, en el crecimiento y diferenciación de numerosos tejidos, las isoavonas pueden ejercer efectos diversos sobre la expresión génica. En cualquier caso, su potencia es menor que la de los estrógenos, y preferentemente actúan más como agentes represores que como activadores de la expresión génica. Esto ha hecho que se recomiende su ingesta para limitar los síntomas de la menopausia y de ciertas enfermedades como la osteoporosis, las enfermedades cardiovasculares y el cáncer. 7.3. Esngolípidos

Los esngolípidos son componentes estructurales de todas las células eucarióticas localizados principalmente en las membranas, inuenciando su estabilidad y uidez. Durante las dos últimas décadas se ha descubierto el papel de los metabolitos

de esngolípidos como segundos mensajeros y su función en la regulación de un amplio espectro de procesos que regulan la proliferación y la muerte celular. Los esngolípidos son constituyentes minoritarios de los alimentos, aunque están presentes en cantidades relativamente elevadas en los productos lácteos, la carne, los huevos y las leguminosas; en los productos animales abunda la esngomielina, y en los vegetales los cerebrósidos. Los esngolípidos no son nutrientes esenciales pero se ha observado que pueden inuenciar la respuesta inmunológica del sistema linfoide asociado a las mucosas, particularmente del intestino delgado, y tienen un papel quimiopreventivo en el cáncer experimental de colon y de piel. No obstante, se desconocen los mecanismos moleculares de estos efectos, si bien parece que la principal acción se debe a una inducción de la apoptosis mediada por la inhibición de la PKC y, posiblemente, a la regulación de la expresión de la β-catenina, una proteína de adhesión celular que conecta la cadherina-E a la actina del citoesqueleto. La Figura 15 muestra un esquema de los efectos posibles de los esngolípidos de la dieta como agentes anticancerosos.

1075

Capítulo 1.31.


8. Resumen 

Numerosos componentes de los alimentos pueden regular diversos aspectos de la siología individual por interacción directa o indirecta con el genoma. En la actualidad, la tecnología de la era genómica ha proporcionado nuevas y poderosas herramientas, posibilitando a los cientícos cambiar el enfoque reduccionista tradicional de investigar los efectos de un solo nutriente sobre un sistema biológico, por uno mucho más amplio, en donde se pueden explorar los efectos moleculares de uno o varios nutrientes en organismos biológicos completos.



La Nutrigenómica es la ciencia que trata de facilitar una explicación a nivel molecular de cómo los nutrientes y otros componentes de los alimentos interaccionan con el conjunto de genes de un individuo y su repercusión sobre el estado de salud. Ejemplos claros de las interacciones entre genoma y dieta se encuentran en la obesidad, la diabetes mellitus de tipo 2, las enfermedades cardiovasculares, la intolerancia a la lactosa y diversas patologías de carácter inamatorio.



La modulación de la expresión génica por nutrientes es un mecanismo de adaptación que permite a los organismos sobrevivir en unas condiciones en las que el aporte de alimentos se realiza de forma intermitente. Los componentes de los alimentos afectan a la expresión génica de forma directa o indirecta actuando como ligandos de receptores que son factores de transcripción, siendo metabolizados y alterando la concentración de sustratos o de metabolitos intermediarios en diversas vías, y sirviendo como moléculas señalizadoras.



Tanto la glucosa como la fructosa, sacarosa, galactosa, glicerol y almidón aumentan la actividad de lactasa y su mRNA en homogenados de mucosa de yeyuno. Asimismo, la glucosa modula la expresión génica de algunos transportadores como los GLUT-1 y 4, y de varios genes metabólicos implicados en la glucólisis, la gluconeogénesis y la lipogénesis, entre los que destacan los de la L-piruvato kinasa, glucosa-6-fosfatasa, acetil CoA carboxilasa y ácidos graso sintasa.



Los ácidos grasos, tanto saturados como poliinsaturados, así como varios eicosanoides derivados oxidados de estos últimos, modulan la expresión de numerosos genes involucrados en la oxidación de

1076

los propios ácidos grasos en el hígado, el músculo y el tejido adiposo, la síntesis de colesterol y de ácidos biliares, la proliferación y diferenciación de los adipocitos, la respuesta inmune y la angiogénesis. Estos efectos se deben a la unión de los ácidos grasos o de sus derivados acil CoA y eicosanoides a receptores nucleares que actúan como factores de transcripción, entre los que se encuentran los receptores activados por proliferadores de los peroxisomas (PPAR) y los receptores hepáticos X (LXR). Asimismo, los oxiesteroles interaccionan con estos últimos aumentando la síntesis de ácidos biliares. 

Los aminoácidos regulan la expresión génica a través de mecanismos múltiples que incluyen la modulación de la actividad del eIF-2B, el ensamblaje del complejo eIF-4F y la alteración de la fosforilación de la rpS6. En cada caso, la traducción de los mRNA que codican proteínas individuales es aumentada o disminuida, basándose en una región estructural no traducida del extremo 5’ rica en pirimidinas. Para algunas proteínas reguladas por la kinasa mTOR, como la rpS6, la traducción inducida por la presencia de aminoácidos parece necesitar la presencia simultánea de insulina y la activación mínima de otras kinasas, como la PKB.



La identicación reciente de proteínas que interaccionan con la mTOR y regulan su actividad ofrece nuevas vías para comprender la regulación de la traducción mediada por aminoácidos.



Varias vitaminas (A, D, E, biotina, B 6 y ácido ascórbico) modulan la expresión de muchos genes por unión a receptores especícos en el caso de las vitaminas A y D, o por unión a factores de transcripción especícos, como es el caso de biotina, B6 y ácido ascórbico. Por otra parte, varios minerales como zinc, cobre y cadmio, modulan la expresión de varios genes entre los que se encuentran aquellos que codican para metalotioneínas, proteínas responsables de la captación y transporte de numerosos metales. Asimismo, el selenio modula la expresión génica de varias selenoproteínas y de algunos genes involucrados en el metabolismo de xenobióticos. También, el hierro interviene en la regulación postranscripcional de numerosos genes entre los que se encuentran los de la ferritina, el receptor de la transferrina y el de la δ-aminolevulínico sintasa.


9. Bibliografía Revisión actual sobre el control de la traducción mediada por los aminoácidos de la dieta.

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