Regulación de la expresión génica por aminoácidos

Regulación de la expresión génica por aminoácidos

por Julien Averous, Alain Bruhat, Sylvie Mordier y Pierre Fafournoux

Unite de Nutrition et Metabolisme Proteique, Institut National de la Recherche Agronomique de Theix, 63122 Saint Gene`s Champanelle, Francia

RESUMEN

En mamíferos, el impacto de los nutrientes en la expresión génica se ha convertido en un área de investigación importante. Debido a que los aminoácidos tienen funciones múltiples e importantes, su homeostasis debe mantenerse finamente. Sin embargo, la aminoacidemia puede verse afectada por ciertas condiciones nutricionales o diversas formas de estrés. En consecuencia, los mamíferos deben ajustar varias de las funciones fisiológicas involucradas en la adaptación a la disponibilidad de aminoácidos mediante la regulación de la expresión de numerosos genes. Se ha demostrado que los aminoácidos por sí solos pueden modificar la expresión de genes diana. Sin embargo, la comprensión del control de la expresión génica dependiente de aminoácidos apenas ha comenzado a surgir. Esta revisión se centra en los avances recientes en la comprensión de los mecanismos implicados en el control de la expresión génica por aminoácidos.

Los mamíferos tienen que ajustar su metabolismo a la ingesta intermitente de alimentos. Además, deben adaptarse a cambios metabólicos internos como el ciclo menstrual o el embarazo en hembras y el crecimiento de tejidos en los jóvenes. Todos estos factores externos e internos demandan respuestas metabólicas y mecanismos reguladores asociados. La regulación del metabolismo se logra mediante acciones coordinadas entre tejidos y células. Estos mecanismos implican la regulación condicional de genes específicos en presencia o ausencia de nutrientes apropiados. En organismos multicelulares, el control de la expresión génica implica interacciones complejas de factores hormonales, neuronales y nutricionales.

El control de la expresión génica por la disponibilidad de nutrientes ha sido bien documentado en procariotas y eucariotas inferiores. Estos organismos son capaces de ajustar su capacidad metabólica a las variaciones en el suministro de nutrientes alterando su patrón de expresión génica. Por ejemplo, el operón lac de Escherichia coli y el regulón gal de Saccharomyces cerevisiae se encuentran entre las vías reguladoras de la expresión génica mejor comprendidas (1). Aunque no tan ampliamente apreciadas, las señales nutricionales desempeñan un papel importante en el control de la expresión génica en mamíferos. Se demostró (2-7) que los constituyentes dietéticos principales (carbohidratos, ácidos grasos, esteroles) o menores (minerales, vitaminas) participan en la regulación de la expresión génica. Sin embargo, los mecanismos implicados en el control de la expresión génica por aminoácidos apenas han comenzado a comprenderse en células de mamíferos (8-11). Esta revisión resume trabajos recientes sobre el efecto de la disponibilidad de aminoácidos en la regulación de funciones biológicas. Sobre la base de los conceptos fisiológicos de la homeostasis de los aminoácidos, discutimos ejemplos específicos del papel de los aminoácidos en la regulación de funciones fisiológicas. En particular, nos centramos en los mecanismos implicados en la regulación de la expresión génica por aminoácidos.

Regulación del metabolismo y la homeostasis de los aminoácidos en el animal completo

Los mamíferos deben regular con precisión la homeostasis de los aminoácidos, teniendo en cuenta dos características importantes del metabolismo de los aminoácidos: 1) los organismos multicelulares son incapaces de sintetizar todos los aminoácidos, y 2) no existen importantes reservas de aminoácidos dispensables (a diferencia de los lípidos o la glucosa). El tamaño del pool de cada aminoácido es el resultado de un equilibrio entre el ingreso y la eliminación. Las salidas metabólicas para los aminoácidos son la síntesis de proteínas y la degradación de aminoácidos, mientras que las entradas son la síntesis de novo (para aminoácidos no esenciales), la degradación de proteínas y la ingesta dietética. Los cambios en las tasas de estos sistemas conducen a un ajuste en el balance de nitrógeno. Por ejemplo, la homeostasis de los aminoácidos y el metabolismo de las proteínas pueden verse alterados en respuesta a la desnutrición (12,13) y/o a diversas formas de trauma como la sepsis, las fiebres, las quemaduras térmicas, etc. (14-19) con dos consecuencias principales: una gran variación en la concentración de aminoácidos en la sangre y un balance de nitrógeno negativo. En estas situaciones, los individuos tienen que ajustar varias funciones fisiológicas que están involucradas en la defensa y la adaptación a la limitación de aminoácidos mediante la regulación de numerosos genes. Se considera el papel específico de los aminoácidos en la adaptación a dos dietas diferentes deficientes en aminoácidos.

Desnutrición proteica

La alimentación prolongada con una dieta baja en proteínas provoca una disminución del nivel plasmático de la mayoría de los aminoácidos esenciales. Por ejemplo, en el plasma de niños afectados por kwashiorkor, las concentraciones de leucina y metionina pueden reducirse de ~100-150 y 18-30 mM a ~20 y 5 mM, respectivamente (13,20). En consecuencia, los individuos deben ajustar varias funciones fisiológicas para adaptarse a esta deficiencia de aminoácidos. Tanto en niños como en animales jóvenes, la principal consecuencia de la alimentación con una dieta baja en proteínas es una dramática inhibición del crecimiento. Straus et al. (21) demostraron que la inhibición del crecimiento se debía a una sorprendente sobreexpresión de la proteína de unión al factor de crecimiento similar a la insulina-1 (IGFBP-1), que se une a los factores de crecimiento similares a la insulina-1 y -2 y modula sus propiedades mitogénicas y metabólicas (22). Según la literatura (22), la expresión de IGFBP-1 está regulada por la hormona del crecimiento, la insulina o la glucosa. Sin embargo, los altos niveles de IGFBP-1 asociados con la alimentación con una dieta deficiente en proteínas no pueden explicarse solo por estos tres factores. Se demostró (21,23) que una disminución en la concentración de aminoácidos es directamente responsable de la inducción de IGFBP-1. Por lo tanto, la limitación de aminoácidos, como ocurre durante la deficiencia de proteínas dietéticas, participa en la regulación a la baja del crecimiento a través de la inducción de la expresión de IGFBP-1.

Dieta desequilibrada

Debido a que los mamíferos no pueden sintetizar todos los aminoácidos, la dieta debe proporcionar aquellos que no se pueden sintetizar. Así, en caso de una deficiencia de uno de los aminoácidos indispensables, los aminoácidos restantes se catabolizan y se pierden, y las proteínas corporales se descomponen para proporcionar el aminoácido limitante (24). La capacidad de distinguir el equilibrio del desequilibrio entre los aminoácidos de la dieta y de seleccionar el aminoácido esencial limitante del crecimiento proporciona una ventaja adaptativa a los animales. Después de alimentarse con una dieta desequilibrada en aminoácidos, un animal primero reconoce la deficiencia de aminoácidos y luego desarrolla una aversión gustativa condicionada. El reconocimiento y la anorexia que resultan de una dieta desequilibrada en aminoácidos ocurren muy rápidamente (25,26). Los mecanismos que subyacen al reconocimiento de la calidad de las proteínas deben actuar a través de los aminoácidos libres que resultan de la digestión intestinal de las proteínas.

Se observó que una marcada disminución en la concentración sanguínea del aminoácido limitante se hace evidente tan pronto como unas pocas horas después de alimentar con una dieta desequilibrada. La respuesta anoréxica se correlaciona bien con una disminución de la concentración del aminoácido limitante en el plasma (27,28). Varias líneas de evidencia sugieren que la disminución en la concentración del aminoácido limitante se detecta en el cerebro. El laboratorio de Gietzens demostró que un área cerebral específica, la corteza piriforme anterior, puede detectar la concentración de aminoácidos [para revisión, ver (28)]. Esta fase de reconocimiento se asocia con disminuciones localizadas en la concentración del aminoácido limitante y con cambios importantes en la tasa de síntesis de proteínas y la expresión génica. Posteriormente al reconocimiento de la deficiencia, el segundo paso, el desarrollo de la anorexia, involucra otra parte del cerebro (27).

Control de la expresión génica por aminoácidos

Aunque los mecanismos moleculares implicados en el control de la expresión génica por la disponibilidad de aminoácidos apenas han comenzado a investigarse en mamíferos, estos mecanismos se han estudiado extensamente en levaduras. Después de un resumen de estos procesos, nos centraremos en el control de la expresión génica en células de mamíferos.

Control de la expresión génica en levaduras.

En levaduras, se han descrito varios sistemas de detección de aminoácidos (Fig. 1).

Procesos de control específicos

Está bien documentado (29) que numerosos operones están regulados por los productos finales específicos de las enzimas correspondientes. Una pequeña molécula efectora puede inducir la transición de los activadores transcripcionales de la forma inactiva a la activa. Por ejemplo, la biosíntesis de leucina está controlada por el activador transcripcional Leu3p en respuesta a la disponibilidad de leucina. Leu3p es activada por los niveles del intermediario metabólico α-isopropilmalato, que sirve como sensor de la disponibilidad de leucina (30). Este tipo de regulación también se ha descrito (31) para el control del catabolismo de aminoácidos (prolina, por ejemplo).

Proceso de control general

La vía de la proteína cinasa GCN2. Además del control específico, las levaduras utilizan un proceso de control general mediante el cual un subconjunto de genes es inducido coordinadamente por la inanición celular de un solo aminoácido. El tRNA libre se acumula y, por lo tanto, estimula la actividad de la proteína cinasa GCN2, que fosforila la subunidad α del factor de iniciación eucariota-2 (eIF2) y, a su vez, perjudica la síntesis del complejo de preiniciación 43S (Met-tRNAdGTPdeIF2). A pesar de la fuerte inhibición de la síntesis de proteínas, el factor de transcripción GCN4 se regula al alza traduccionalmente. Este control se debe a la estructura particular de la región 59 no traducida (UTR) del mRNA de GCN4. Como resultado, GCN4 induce. 30 genes diferentes que están involucrados en varias vías biosintéticas diferentes (32-34).

La vía objetivo de la rapamicina.

La vía de la rapamicina (TOR) está regulada por la disponibilidad de aminoácidos y participa en la regulación de varios procesos celulares como la traducción, la transcripción y la degradación de proteínas (35). Los mecanismos moleculares implicados en el control de la actividad de TOR por los aminoácidos aún no se han identificado.

El complejo Ssy1p d Ptr3p d Ssy5p.

Los avances recientes en nuestra comprensión de la detección de nutrientes indican que las células de levadura poseen un sistema de detección de aminoácidos que se localiza en la membrana plasmática y que transduce información sobre la presencia de aminoácidos extracelulares. El sensor primario de aminoácidos es un complejo multimérico de tres proteínas, Ssy1pdPtr3pd Ssy5p (llamado complejo SPS). El componente Ssy1p se parece mucho a una permeasa de aminoácidos, que es una familia de proteínas que normalmente cataliza el transporte de aminoácidos a una célula (36-38). En respuesta a un cambio en la disponibilidad de aminoácidos, Ssy1p activa una compleja red de procesos reguladores para modificar la expresión de los genes diana. El complejo SPS es necesario para la inducción de un conjunto de genes diana (BAP3, TAT2, CHA1, etc.) por los aminoácidos y también es necesario para la represión por aminoácidos de otro conjunto de genes diana (DAL4, MET3, MMP1, etc.) (39).

Control de la expresión génica en células de mamíferos.

Genes regulados al alza por aminoácidos. Se han descrito genes que se regulan específicamente al alza en respuesta a concentraciones suprafisiológicas de aminoácidos. Por ejemplo, una alta concentración de L-triptófano mejora la expresión de colagenasa e inhibidores tisulares de metaloproteinasa. En hepatocitos de rata, los aminoácidos cotransportados con Na1, como la glutamina, la alanina y la prolina, estimulan la acetil-coenzima A carboxilasa, la glucógeno sintasa y la actividad de la arginino succinato sintasa. Se demostró (40-42) que el hinchazón resultante de la adición de aminoácidos podría estar involucrado en la regulación de la expresión génica; sin embargo, los mecanismos moleculares involucrados en estos procesos son poco conocidos. Genes regulados al alza por la inanición de aminoácidos. En células de mamíferos, se han reportado algunos ejemplos de mRNA específicos que se inducen después de la privación de aminoácidos (43). La mayoría de los mecanismos moleculares involucrados en la regulación de la expresión génica por aminoácidos se han obtenido al estudiar la regulación al alza de los genes de la proteína homóloga (CHOP) de la proteína de unión a CCAAT/potenciador (C/EBP), la asparagina sintetasa (AS) y el transportador de aminoácidos catiónicos (Cat-1).

Mecanismos moleculares implicados en la regulación de la expresión génica por limitación de aminoácidos

La regulación de la mayoría de los genes regulados por aminoácidos presenta componentes tanto transcripcionales como/o post-transcripcionales (44-46).

Regulación postranscripcional de la expresión génica por la disponibilidad de aminoácidos.

Recientemente se demostró que la tasa de traducción de genes específicos podía ser regulada por la disponibilidad de aminoácidos. Hatzoglou y colaboradores han demostrado que el agotamiento de aminoácidos inicia eventos moleculares que activan específicamente la traducción del gen Cat-1. Han demostrado la presencia de un sitio de entrada ribosómica interna (IRES) localizado dentro de la UTR 59 del ARNm de Cat-1. Este IRES está involucrado en el control de la traducción del transcrito Cat-1 por aminoácidos (47,48). En condiciones de inanición de aminoácidos, la traducción desde este IRES es estimulada, mientras que la síntesis de proteínas dependiente de la caperuza disminuye. Se informó otro ejemplo de traducción inducida por la inanición de aminoácidos (49) para la α-cetoácido deshidrogenasa cinasa de cadena ramificada, pero no se estudió el mecanismo de control translacional. Este mecanismo de respuesta compensatoria permite la traducción de proteínas importantes a pesar de la inhibición del aparato de traducción dependiente de la caperuza.

Activación transcripcional de genes de mamíferos por la inanición de aminoácidos.

Se estableció que el aumento en el ARNm de CHOP o AS después de la inanición de aminoácidos se debe principalmente a un aumento de la transcripción (44,50). Al identificar primero los elementos cis genómicos y luego los factores de transcripción correspondientes responsables de la regulación de estos genes diana específicos, se anticipa que se puede progresar hacia atrás en la vía de transducción de señales para comprender los pasos individuales requeridos.

Regulación del gen humano CHOP por la inanición de aminoácidos.

CHOP codifica un factor de transcripción ubicuo que heterodimeriza ávidamente con otros miembros de las familias C/EBP (51) y Jun/Fos (52). El gen CHOP está estrictamente regulado por una amplia variedad de estreses en células de mamíferos (53-55). La limitación de leucina en líneas celulares humanas conduce a la inducción de ARNm y proteínas de CHOP de forma dosis-dependiente (43). Hemos identificado (56) en el promotor de CHOP un elemento cispositivo localizado entre 2313 y 2295 que es esencial para la regulación de aminoácidos del promotor de CHOP (Fig. 2). Esta secuencia corta puede regular un promotor basal en respuesta a la inanición de varios aminoácidos individuales y, por lo tanto, puede denominarse elemento regulador de aminoácidos (AARE).

La secuencia de la región AARE de CHOP muestra cierta homología con los sitios de unión específicos de las familias de factores de transcripción C/EBP y factor de transcripción activador (ATF)/proteína de unión al elemento de respuesta al monofosfato de adenosina cíclica 59. Hemos demostrado que muchos factores de transcripción que pertenecen a la familia ATF o C/EBP tienen la capacidad de unirse in vitro a la AARE de CHOP. Entre estos factores, al menos ATF-2 y -4 están implicados en el control de la expresión de CHOP por aminoácidos: cuando se probaron líneas celulares knockout para estas dos proteínas, la regulación de la expresión de CHOP por aminoácidos fue abolida (56; J. Averous, datos no publicados). Este trabajo se amplió a la regulación de otros genes regulados por aminoácidos y confirma que ATF-2 y -4 son componentes clave del control de la expresión génica por aminoácidos (J. Averous, datos no publicados).

Regulación de la AS por la disponibilidad de aminoácidos.

La AS se expresa en la mayoría de las células de mamíferos como una enzima constitutiva responsable de la biosíntesis de asparagina a partir de aspartato y glutamina (57). Los niveles de ARNm de AS aumentan no solo en respuesta a la inanición de asparagina, sino también después de la privación de leucina, isoleucina o glutamina (45,50,58). El grupo de Kilbergs (59) ha analizado la regulación del promotor de AS por la disponibilidad de aminoácidos. Han caracterizado (Fig. 2) una unidad reguladora sensible a nutrientes que incluye dos elementos cis-activos denominados elementos de respuesta sensibles a nutrientes (NSRE-1 y -2) que son necesarios para inducir el nivel de expresión de AS por privación de aminoácidos o por la respuesta al estrés del retículo endoplásmico (RE).

Los experimentos de cambio de gel y la sobreexpresión de mutantes dominantes negativos 2042S SUPPLEMENT sugieren que la activación del gen AS por limitación de aminoácidos o por respuesta al estrés del RE implica la unión de ATF-4 y C/EBP-b al sitio NSRE-1 (60,61). La comparación entre los elementos de control transcripcional de CHOP y AS muestra que AS NSRE-1 y CHOP AARE comparten secuencias de nucleótidos y similitudes funcionales (Fig. 2A). Sin embargo, CHOP AARE puede funcionar solo, mientras que AS NSRE-1 es funcionalmente débil por sí mismo y requiere la presencia de NSRE-2 (62). El AS NSRE-2 tiene dos propiedades: 1) amplifica la actividad de NSRE-1 en respuesta a la inanición de aminoácidos, y 2) confiere una respuesta al estrés del RE. Por ejemplo, cuando se clona aguas abajo del CHOP AARE, puede conferir capacidad de respuesta al estrés del RE al CHOP AARE.

Vía de señalización de aminoácidos.

Parece que las células de mamíferos tienen más de una vía de señalización de aminoácidos independiente de la vía de estrés del RE (63,64). Sin embargo, los pasos individuales requeridos para estas vías no se comprenden bien.

Vías de señalización de ATF-4 y aminoácidos.

El grupo de Ron ha revelado una vía de señalización para regular la expresión génica en mamíferos que es homóloga a la respuesta de control general bien caracterizada en levaduras a la privación de aminoácidos (65). Sus componentes incluyen (Fig. 3) el homólogo de mamífero de la cinasa GCN2, eIF2α y ATF-4. Al igual que el transcrito de GCN4, el ARNm de ATF-4 contiene un marco de lectura abierto corriente arriba en su 59 UTR que permite la traducción cuando la traducción dependiente de la caperuza está inhibida. Los autores demostraron que la activación de GCN2, la fosforilación de eIF2α y la activación traslacional de ATF-4 son necesarias pero no suficientes para la inducción de la expresión de CHOP en respuesta a la inanición de leucina (véase la Fig. 2). Estos datos concuerdan bien con el análisis del promotor de CHOP y AS al mostrar que ATF-4 puede unirse a las secuencias promotoras implicadas en la respuesta a la inanición de aminoácidos.

ATF-2 y vías de señalización de aminoácidos.

La capacidad transactivadora de ATF-2 se activa mediante la fosforilación de los residuos N-terminales Thr-69, Thr-71 y Ser-90 (66,67). Hay dos líneas de evidencia que sugieren que la fosforilación de ATF-2 pertenece a la vía de respuesta a aminoácidos que conduce a la activación transcripcional de CHOP por aminoácidos: 1) la inanición de leucina induce la fosforilación de ATF-2 en líneas celulares humanas (J. Averous, comunicación personal); y 2) un mutante dominante negativo de ATF-2 (68) en el que los tres residuos no pueden fosforilarse inhibe la actividad del promotor de CHOP mejorada por la inanición de leucina. Estos datos sugieren que una vía específica regulada por aminoácidos que conduce a la activación transcripcional de CHOP puede implicar una fosforilación de ATF-2 preunido en lugar de un aumento en la unión de ATF-2. Sin embargo, la identidad de las quinasas involucradas en la fosforilación de ATF-2 por la inanición de aminoácidos aún está por descubrirse (véase la Fig. 3).

Parece que al menos dos vías diferentes que conducen a la fosforilación de ATF-2 y a la expresión de ATF-4 son necesarias para inducir la expresión de CHOP en respuesta a un estímulo (privación de aminoácidos). Además, ATF-2 y -4 pertenecen a la familia de factores de transcripción con cremallera de leucina básica. Estas proteínas tienen la capacidad de interactuar con varios factores de transcripción para unirse a la secuencia de ADN diana. En el caso de la regulación de la expresión de CHOP por aminoácidos, no tenemos pruebas de que ATF-2 y -4 formen un dímero que se una a la secuencia AARE, pero podrían incluirse en un complejo proteico regulador más grande. Por ejemplo, se ha demostrado (69) que ATF-2 interactúa con al menos dos factores de transcripción (CP1 y NF1) en un gran complejo proteico para regular la transcripción del gen de la fibronectina.

En conclusión, la idea de que los aminoácidos pueden regular la expresión génica está ahora bien establecida. Los aminoácidos por sí solos pueden desempeñar, junto con las hormonas, un papel importante en el control de la expresión génica; sin embargo, los procesos subyacentes solo han empezado a descubrirse. La disponibilidad de aminoácidos puede modificar la expresión de los genes diana a nivel de transcripción, estabilidad del ARNm y traducción. Definir la cascada precisa de eventos moleculares mediante la cual la concentración celular de un aminoácido individual regula la expresión génica será una contribución importante a nuestra comprensión del control de los metabolitos en las células de mamíferos. Estos estudios proporcionarán información sobre el papel de los aminoácidos en la regulación de funciones celulares como la división celular, la síntesis de proteínas o la proteólisis.

NOTAS A PIE DE PÁGINA

Presentado en la conferencia “El Segundo Taller sobre la Evaluación de la Ingesta Adecuada de Aminoácidos Dietéticos” celebrado del 31 de octubre al 1 de noviembre de 2002, en Honolulu, Hawái. La conferencia fue patrocinada por el Consejo Internacional de la Ciencia de los Aminoácidos. El Comité Organizador del Taller incluyó a Vernon R. Young, Yuzo Hayashi, Luc Cynober y Motoni Kadowaki. Las actas de la conferencia se publicaron en un suplemento de The Journal of Nutrition. Los editores invitados para la publicación del suplemento fueron Dennis M. Bier, Luc Cynober, Yuzo Hayashi y Motoni Kadowaki.

Abreviaturas utilizadas: AARE, elemento regulador de aminoácidos; AS, asparagina sintetasa; ATF, factor de transcripción activador; Cat-1, transportador de aminoácidos catiónicos-1; C/EBP, proteína de unión a CCAAT/potenciador; CHOP, proteína homóloga de C/EBP; eIF2, factor de iniciación eucariótico-2; ER, retículo endoplasmático; ERSE, elemento de respuesta al estrés del RE; GCN, cinasa de proteína no reprimible de control general; IGFBP-1, proteína de unión al factor de crecimiento similar a la insulina-1; IRES, sitio de entrada ribosómica interna; mTOR, objetivo de rapamicina en mamíferos; NSRE-1 y NSRE-2, elementos de respuesta a la detección de nutrientes-1 y -2; SPS, complejo Ssy1p-Ptr3p-Ssy5p; UTR, región no traducida.

Las siguientes abreviaturas están relacionadas con los genes expresados en levaduras: Ssy1p, Ssy5p, Ptr3p, BAP3, TAT2, CHA1, DAL4, MET3 y MMP1. El significado de estas abreviaturas no está relacionado con la función de la proteína codificada.

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