INICIAR SESIÓN REGISTRO
Hematología

Los diversos efectos de los inhibidores del proteosoma en la célula

Febrero 17, 2021

Los inhibidores del proteosoma (IP) tienen una gran utilidad clínica. Estos agentes son fundamentales para el tratamiento del mieloma múltiple (MM) y del linfoma de células del manto (LCM), ya que son parte de múltiples esquemas de primera línea, recaída y enfermedad refractaria (1,2). Tal es el caso del bortezomib, el primer IP en ser aprobado por la FDA (3). En enero de 2021, a casi 18 años de su aprobación, hay registro de más de 200 ensayos clínicos –abiertos o planeados– que tienen como objetivo estudiar la eficacia del bortezomib en diversos MM, LCM y otros padecimientos (4) (https://clinicaltrials.gov).

El bortezomib no es el único IP con utilidad clínica, ni la hematología es la única rama de la medicina en la que la inhibición del proteosoma promete avances importantes. Los IP ixazomib y carfilzomib fueron aprobados para el tratamiento del MM en los últimos 9 años, y están siendo incorporados a un creciente número de ensayos clínicos. Asimismo, los IP oprozomib y marizomib están siendo evaluados en MM, en pacientes en recaída o con enfermedad refractaria, en fases clínicas 1b y 2, respectivamente (4). Además, el marizomib se encuentra en estudios fase 3 para el tratamiento de primera línea de glioblastomas, en combinación con temozolamida y radioterapia (https://clinicaltrials.gov).

Por otro lado, la inhibición del proteosoma está mostrando utilidad en etapas preclínicas, fuera de la oncología. Específicamente, estudios recientes sugieren que la modulación del inmunoproteosoma podría ayudar a controlar algunas enfermedades autoinmunes y neurodegenerativas (5). Incluso se están desarrollando moléculas para inhibir selectivamente el proteosoma de Plasmodium falciparum, parásito causante de la malaria (5).

Si bien está claro que los IP tienen una amplia gama de aplicaciones en la medicina, ¿cuáles son los mecanismos biológicos mediante los cuáles funcionan? Aunque se conocen a detalle varias vías que conducen a la muerte en respuesta a la inhibición del proteosoma in vitro, existe cierta controversia en torno a los mecanismos que operan en las células cancerosas de los pacientes (4). En cierta medida, esta falta de consenso es consecuencia de inconsistencias entre las concentraciones de IP que se han usado en las etapas preclínicas para definir sus mecanismos de acción, así como las concentraciones que se alcanzan fisiológicamente (4). Por otro lado, el proteosoma participa en múltiples procesos indispensables para la célula, que incluyen la homeostasis (a través de la degradación de proteínas desplegadas), la progresión del ciclo celular y la biosíntesis de factores transcripcionales, entre otros (4,6). Por lo tanto, la inhibición del proteosoma tiene múltiples consecuencias en las células a diferentes niveles, y estudios recientes siguen mostrando nuevos efectos de los IP.

Un modelo arquetípico de muerte por inhibición del proteosoma está íntimamente relacionado con la naturaleza del MM, que muestra una producción exacerbada de inmunoglobulinas. En condiciones normales, el plegamiento de las proteínas de secreción (tales como las inmunoglobulinas) ocurre en el retículo endoplásmico (RE) (3). El control de calidad del plegamiento de estas proteínas está a cargo de un conjunto de vías de señalización conocido como la respuesta a proteínas desplegadas (RPD) (7,8). La RPD se activa cuando el RE es incapaz de plegar todas sus proteínas blanco, una condición conocida como estrés del RE. En respuesta al estrés del RE, la RPD induce la expresión de genes asociados con el plegamiento de proteínas (e.g. chaperonas) y con la inhibición de la traducción. La RPD también promueve la degradación de las proteínas desplegadas mediante el sistema ubiquitina-proteosoma (7.8). Sin embargo, cuando esto no es suficiente y la acumulación anormal de proteínas desplegadas persiste, la RPD inicia una señal de muerte. Esta señal puede ocurrir a través de, por lo menos, 4 vías de señalización diferentes, mismas que convergen en la activación del factor CHOP. Este último promueve la apoptosis mediante la inhibición directa de la proteína antiapoptótica BCL-2, y también induce un aumento en la expresión de los genes proapoptóticos BIM y DR5 (8).

La principal racionalidad del uso de IP en MM radica en la producción aberrante de inmunoglobulinas de las células plasmáticas cancerosas, misma que las hace más propensas a sufrir estrés del RE (9). En este contexto, la función de los IP consiste en exacerbar la acumulación de proteínas desplegadas en estas células al impedir que el proteosoma pueda destruirlas. De esta manera, los IP impiden que la RPD pueda restaurar la homeostasis proteica y que, como consecuencia, promueva la apoptosis. Incluso, se ha demostrado que las células plasmáticas cancerosas son especialmente sensibles al bortezomib, y que dicha sensibilidad aumenta conforme la sobreexpresión de inmunoglobulinas es mayor (9).

Otro mecanismo de muerte explotado por los IP se centra en el factor transcripcional NfκB, crucial para la expresión de genes de sobrevida, como algunos relacionados con la resistencia a la quimio y radioterapia, moléculas de adhesión al estroma de la médula ósea y vías de estimulación autocrina, como los receptores de IL-6 (9). En condiciones normales, NFκB se encuentra secuestrado en el citoplasma por la proteína inhibidora IκB, y esta última es ubiquitinada y degradada en respuesta a estímulos específicos. La degradación de IκB permite la translocación de NFκB al núcleo, lo que facilita el acceso de este factor a sus genes blanco (3,4,9). Sin embargo, la activación constitutiva de NFκB ocurre en células de muchos tipos de neoplasias (10). Al tratar dichas células con IP se promueve la estabilización de IκB, lo cual impide la actividad transcripcional de NFκB. Por otro lado, se ha demostrado que el proteosoma participa en la biosíntesis de NFκB, al llevar a cabo la proteólisis del precursor P105 para dar lugar a la forma activa, la subunidad p50 (la mayor parte de los factores transcripcionales están constituidos por múltiples subunidades) (4). Por lo tanto, los IP actúan sobre la vía de NFκB mediante dos mecanismos diferentes y, de esta manera, promueven eficientemente la muerte en diversos tipos de células neoplásicas.

Por otro lado, los IP causan una detención en la progresión del ciclo celular, debido a que el recambio de ciclinas depende del funcionamiento correcto del proteosoma (11), el cual destruye las ciclinas propias de una fase del ciclo celular para poder proceder a la siguiente fase. En el caso de la mitosis, la inhibición del proteosoma impide la degradación de la ciclina B (12), misma se encarga de promover diversas fosforilaciones clave que mantienen a la célula, bioquímica y morfológicamente, en mitosis (e.g. la fosforilación de la tubulina que permite la formación del huso mitótico o la fosforilación de la lámina que impide el reensamblaje de la lámina nuclear) (13). Adicionalmente, el proteosoma se encarga de destruir a la securina, una proteína que inhibe a la enzima separasa. La actividad de la separasa es indispensable para abrir los anillos de cohesina que mantienen a las cromátidas hermanas unidas entre la fase de síntesis y la metafase. Como consecuencia, la inhibición del proteosoma inhibe, indirectamente, la separación de las cromátidas hermanas, impidiendo así la segregación cromosómica (12). A diferencia de lo que ocurre con los venenos del huso, tales como el taxol o los alcaloides de la vinca, los IP no dañan la capacidad motora del huso mitótico (14). Por lo tanto, durante una detención en mitosis inducida por IP, la fuerza motora de los microtúbulos jala a las cromátidas hermanas hacia polos opuestos, mientras que los anillos de cohesina las mantienen unidas. Cuando la cohesión entre las cromátidas hermanas termina por ceder, tiene lugar un fenómeno conocido como “fatiga de cohesión” (15), el cual conduce a una separación inadecuada del material genético y es reconocido como una causa de aneuploidías y muerte celular(16).

Aunque la fatiga de cohesión se descubrió mediante el uso de IP, ocurre en la naturaleza (16). Fisiológicamente, este proceso tiene lugar durante la gametogénesis femenina, y se cree que es responsable de aneuploidías heredadas a la progenie. De hecho, los cromosomas homólogos de los ovocitos pierden cohesión a lo largo de los años, durante el arresto dictiado, y lo mismo ocurre con las cromátidas hermanas una vez que dichos ovocitos alcanzan la metafase II de la meiosis (16). Asimismo, evidencia reciente apunta a que la fatiga de cohesión participa en la alta incidencia de trisomías fetales –incluido el síndrome de Down– en mujeres de más de 35 años, en las cuáles más de un tercio de los fetos son aneuploides (16).

Otro campo de investigación intensa estudia los diversos cambios transcripcionales que ocurren durante el tratamiento con IP (17). Incluso, algunos grupos están utilizando la “firma transcripcional” de la inhibición del proteosoma para descubrir nuevos IP (18). El trabajo en esta área ha puesto en evidencia que el proteosoma tiene un rol central en el transcriptoma. Esto responde, en parte, a que el proteosoma está íntimamente ligado con la regulación epigenética. Concretamente, el tratamiento con bortezomib se asocia con un aumento en los niveles de acetilación de la histona H3 que dan lugar a una cromatina más abierta. Asimismo, una investigación reciente mostró que el MG132, un IP de uso exclusivo de investigación, ocasiona cambios en acetilaciones y metilaciones de la histona H3 que facilitan la transcripción (19). En congruencia con estos datos, los mismos genes que mostraron alteraciones epigenéticas se vieron sobreexpresados en un análisis de transcriptoma (19).

Por otro lado, aproximadamente el 50% del genoma humano está constituido por secuencias repetitivas (20), la mayor parte de ellas está inmersa en un tipo de cromatina que reprime la transcripción, conocida como heterocromatina constitutiva (21). Un ejemplo son las regiones pericentroméricas de los cromosomas. En cambio, los centrómeros muestran una clase de regulación epigenética única que combina marcas represivas con marcas de apertura de la cromatina (22). Se ha demostrado que algunos RNA no codificantes (ncRNA, por sus siglas en inglés) que emanan tanto de secuencias centroméricas como de secuencias pericentroméricas, participan en la repartición del material genético en la mitosis (23). Las funciones de estos ncRNA incluyen el reclutamiento de proteínas indispensables del centrómero, tales como CENP-A o HJURP, y la estimulación de la actividad enzimática de Aurora B, encargada de fosforilaciones esenciales para la segregación cromosómica correcta (23-25). Sin embargo, se ha observado que estas secuencias satelitales se encuentran sobreexpresadas en condiciones anormales, como en el cáncer o en la respuesta al daño al DNA (23). Asimismo, la desregulación transcripcional del centrómero y pericentrómero origina aberraciones cromosómicas.

Trabajos recientes han añadido la inhibición del proteosoma a la lista de las condiciones que sobreexpresan secuencias centroméricas y pericentroméricas (26). Naturalmente, esto puede tener repercusiones indeseables en la progresión de la mitosis y, por lo tanto, en el desarrollo del cáncer, ya que la inestabilidad cromosómica provee a las neoplasias de un arsenal de mutaciones necesario para su evolución constante (23). Cabe destacar que la sobreexpresión de algunas secuencias satelitales ocurre, in vitro, bajo concentraciones similares a las que se alcanzan fisiológicamente en la clínica (4). Por lo tanto, es muy probable que este fenómeno ocurra en pacientes, lo cual subraya la relevancia de sus consecuencias en la evolución del cáncer.

La biología del proteosoma es un campo de intensa actividad científica. Los 18 años de historia de los IP en el tratamiento del cáncer y el premio Nobel de Química otorgado en 2004 a Aaron Ciechanover, Avram Hershko e Irwin Rose por el descubrimiento del sistema ubiquitina-proteosoma, hacen patente la relevancia de esta maquinaria molecular. Sin embargo, la complejidad del proteosoma sigue sorprendiendo a la comunidad científica y es difícil sobreestimar la variedad de sus funciones en la célula. Fenómenos como la fatiga de cohesión y la desregulación transcripcional del centrómero y del pericentómero merecen un estudio más detallado, sobre todo al considerar que los resultados de dicho esfuerzo podrían contribuir a mejorar la esperanza y calidad de vida de pacientes con diversas enfermedades.

Dr. Rodrígo Cáceres Gutiérrez
Biomédico
Instituto Nacional de Cancerología
Ciudad de México, México

Referencias:

  1. Moreau, P. et al. Multiple myeloma: ESMO Clinical Practice Guidelines for diagnosis, treatment and follow-up. Oncol. 28, iv52–iv61 (2017).
  2. McKay, P., Leach, M., Jackson, B., Robinson, S. & Rule, S. Guideline for the management of mantle cell lymphoma. J. Haematol. 182, 46–62 (2018).
  3. Ito, S. Proteasome inhibitors for the treatment of multiple myeloma. Cancers (Basel) 12, (2020).
  4. Fricker, L. D. Proteasome Inhibitor Drugs. Rev. Pharmacol. Toxicol. 60, 457–476 (2020).
  5. Cromm, P. M. & Crews, C. M. The proteasome in modern drug discovery: second life of a highly valuable drug target. ACS Cent. Sci. 3, 830–838 (2017).
  6. Navon, A. & Ciechanover, A. The 26 S proteasome: from basic mechanisms to drug targeting. Biol. Chem. 284, 33713–33718 (2009).
  7. Karagöz, G. E., Acosta-Alvear, D. & Walter, P. The Unfolded Protein Response: Detecting and Responding to Fluctuations in the Protein-Folding Capacity of the Endoplasmic Reticulum. Cold Spring Harb. Perspect. Biol. 11, (2019).
  8. Sano, R. & Reed, J. C. ER stress-induced cell death mechanisms. Biophys. Acta 1833, 3460–3470 (2013).
  9. Meister, S. et al. Extensive immunoglobulin production sensitizes myeloma cells for proteasome inhibition. Cancer Res. 67, 1783–1792 (2007).
  10. Xia, Y., Shen, S. & Verma, I. M. NF-κB, an active player in human cancers. Cancer Immunol Res 2, 823–830 (2014).
  11. Frankland-Searby, S. & Bhaumik, S. R. The 26S proteasome complex: an attractive target for cancer therapy. Biophys. Acta 1825, 64–76 (2012).
  12. Musacchio, A. & Salmon, E. D. The spindle-assembly checkpoint in space and time. Rev. Mol. Cell Biol. 8, 379–393 (2007).
  13. Enserink, J. M. & Kolodner, R. D. An overview of Cdk1-controlled targets and processes. Cell Div. 5, 11 (2010).
  14. Sapkota, H., Wasiak, E., Daum, J. R. & Gorbsky, G. J. Multiple determinants and consequences of cohesion fatigue in mammalian cells. Biol. Cell 29, 1811–1824 (2018).
  15. Daum, J. R. et al. Cohesion fatigue induces chromatid separation in cells delayed at metaphase. Biol. 21, 1018–1024 (2011).
  16. Jessberger, R. Age-related aneuploidy through cohesion exhaustion. EMBO Rep. 13, 539–546 (2012).
  17. Kwak, J., Workman, J. L. & Lee, D. The proteasome and its regulatory roles in gene expression. Biophys. Acta 1809, 88–96 (2011).
  18. Mofers, A., Selvaraju, K., Gubat, J., D’Arcy, P. & Linder, S. Identification of proteasome inhibitors using analysis of gene expression profiles. J. Pharmacol. 889, 173709 (2020).
  19. Kinyamu, H. K., Bennett, B. D., Bushel, P. R. & Archer, T. K. Proteasome inhibition creates a chromatin landscape favorable to RNA Pol II processivity. Biol. Chem. 295, 1271–1287 (2020).
  20. Lander, E. S. et al. Initial sequencing and analysis of the human genome. Nature 409, 860–921 (2001).
  21. Criscione, S. W., Zhang, Y., Thompson, W., Sedivy, J. M. & Neretti, N. Transcriptional landscape of repetitive elements in normal and cancer human cells. BMC Genomics 15, 583 (2014).
  22. Sullivan, B. A. & Karpen, G. H. Centromeric chromatin exhibits a histone modification pattern that is distinct from both euchromatin and heterochromatin. Struct. Mol. Biol. 11, 1076–1083 (2004).
  23. Cáceres-Gutiérrez, R. & Herrera, L. A. Centromeric Non-coding Transcription: Opening the Black Box of Chromosomal Instability? Genomics 18, 227–235 (2017).
  24. Lampson, M. A. & Cheeseman, I. M. Sensing centromere tension: Aurora B and the regulation of kinetochore function. Trends Cell Biol. 21, 133–140 (2011).
  25. Quénet, D. & Dalal, Y. A long non-coding RNA is required for targeting centromeric protein A to the human centromere. Elife 3, e03254 (2014).
  26. Natisvili, T. et al. Transcriptional Activation of Pericentromeric Satellite Repeats and Disruption of Centromeric Clustering upon Proteasome Inhibition. PLoS One 11, e0165873 (2016).
bortezomibCarfilzomibinhibidores del proteosomaRodrigo Cáceres

Iniciar Sesión

Al iniciar sesión, aceptas nuestros
Términos de Uso y Política de Privacidad.

Recuperar Contraseña

Se enviará un correo electrónico a
esta dirección para recuperar su contraseña.