XBP1, nuevo guardián del genoma durante la regeneración hepática

 

Josepmaria Argemí, Jesús Prieto, Tomás Aragón

Centro para la Investigación Médica Aplicada (CIMA) de la Universidad de Navarra. Pamplona, España

 

La regeneración hepática tras hepatectomía parcial requiere la expansión de los hepatocitos del remanente hepático hasta alcanzar el tamaño que el organismo necesita para el procesamiento de nutrientes y toxinas y para la síntesis de proteínas y ácidos biliares, funciones todas esenciales para la supervivencia. Se trata de un proceso de enorme rapidez: en la especie murina, el hígado recupera su tamaño en alrededor de 7-10 días y en pacientes en el arco de unas pocas semanas. En ese breve espacio de tiempo, los hepatocitos y las células no parenquimatosas que conforman la estructura acinar del hígado deben ser capaces de multiplicarse. El hepatocito, al tiempo que entra rápidamente en ciclo celular, debe seguir manteniendo sus funciones metabólicas y biosintéticas e incrementar la síntesis de proteínas de fase aguda que secreta tras cualquier proceso inflamatorio sistémico.

Ese escenario se produce cada vez que un paciente con un tumor hepático es sometido a resección parcial o también cuando se realiza un trasplante hepático de donante vivo. La hepatectomía, que frecuentemente resulta curativa, puede en ocasiones conducir a una insuficiencia hepática en el caso de que el potencial de regeneración del hígado remanente esté limitado por condiciones patológicas preexistentes, lo que sucede frecuentemente en los casos de pacientes con cirrosis hepática o enfermedad hepática grasa no alcohólica (EHGNA). Para poder mejorar la capacidad regenerativa de estos pacientes, es esencial conocer los mecanismos moleculares de regeneración hepática .

 

El potencial de regeneración del hígado puede estar limitado por ciertas condiciones patológicas como la cirrosis. Imagen: Histología de la cirrosis hepática. Ed Uthman (CC BY 2.0 https://creativecommons.org/licenses/by/2.0/deed.en).

 

En el Centro de Investigación Médica Aplicada (CIMA), de la Universidad de Navarra, hemos descrito el papel de X-Box Binding Protein 1 (XBP1) en la regeneración hepática. Los resultados de esta investigación acaban de ser publicados en la revista Gastroenterology.

La proteína XBP1 es un factor de transcripción implicado en la respuesta al estrés del retículo endoplasmático (RE), que tiene lugar cuando la carga de proteínas que se pliegan y maduran en el RE -proteínas secretadas o insertadas en la membrana plasmática o en vesículas intracelulares- supera la capacidad del plegamiento de este orgánulo intracelular. También puede existir estrés del RE cuando la maquinaria del RE no puede plegar correctamente las proteínas por un déficit de energía intracelular. La síntesis de XBP1 inducida por estas condiciones celulares adversas constituye uno de los mecanismos de respuesta al estrés más conservados desde la levadura al mamífero.

La hipótesis inicial del trabajo fue que, dada la enorme demanda de síntesis y secreción de proteínas de modo rápido y simultáneo con la división celular, XBP1 debía jugar un papel en el proceso de regeneración hepática.

Para testar dicha hipótesis se reprodujo la regeneración hepática en un modelo bien establecido de resección de 2/3 de la masa hepática en ratones, analizando cualitativa y cuantitativamente la expresión de XBP1 a distintos tiempos tras la intervención. Los niveles de proteína y RNA mensajero de XBP1 se encontraron aumentados especialmente en la fase precoz del proceso regenerativo, conocida en inglés como priming phase. El análisis immunohistoquímico de los hígados en regeneración reveló que la presencia de la proteína XBP1 en el núcleo de los hepatocitos incrementaba abruptamente pocas horas tras la resección hepática. Desde este núcleo XBP1 estimulaba la transcripción de sus genes diana.

Pero, ¿quién promueve este fuerte incremento de XBP1? En nuestras investigaciones tratamos de determinar si la expresión de XBP1 era una mera consecuencia del estrés del RE o si existían mecanismos que facilitasen su incremento. Descubrimos que la  interleuquina 6 (IL-6), una citoquina clave en la regeneración hepática, era fundamental para promover un patrón de expresión de XBP1 óptimo. Descubrimos además que, a su vez, XBP1 estimula la fosforilación de STAT3, un mediador de la acción de IL6. El eje IL-6/STAT3, que se activa tempranamente tras la resección hepática, es considerado de enorme importancia en los procesos de regeneración, proliferación y de respuesta de fase aguda hepática. Así pues, XBP1 se coordina de una manera profunda e inesperada con los eventos que “programan” una regeneración exitosa desde las primeras horas tras la hepatectomía.

En la fase temprana tras una resección hepática de 2/3, las células de Kuppfer secretan IL-6, que a su vez señaliza en los hepatocitos a través de STAT3, activando la expresión de XBP1. El análisis de ChIP-seq de XBP1 nos indica que XBP1 está implicado en la regulación de numerosos procesos celulares, entre los que destacan la respuesta de Fase aguda, la respuesta al estrés del Retículo y la respuesta al daño al DNA. A la derecha y arriba se muestra una immunohistoquímica (IHQ) de XBP1 sobre tejido hepático basalmente y 6h tras la intervención, apreciándose una señal intensa en el núcleo de los hepatocitos. A la derecha y abajo se muestra una IHQ de Histona 2Ax fosforilada, como marcador de rotura del DNA de doble cadena, sobre el hígado de ratones control y ratones deficientes en XBP1, a las 48h de la resección hepática, en pleno proceso proliferativo: se aprecia la presencia de daño al DNA en los núcleos de los ratones deficientes en XBP1.

 

Para comprender la relevancia funcional de XBP1 en la regeneración decidimos reducir genéticamente la expresión de XBP1 de los hepatocitos de ratones mediante el silenciamiento del gen. Para ello, utilizamos un vector que expresaba un shRNA específico contra XBP1, el cual fue vehiculizado al hígado mediante el uso de un vector adenoviral. En hígados donde XBP1 había sido silenciado, la regeneración hepática sucedía de forma defectuosa, con la aparición de áreas de necrosis y hepatomegalia a partir de los 2 días tras la cirugía. Siete días tras la hepatectomía, los hígados de estos ratones estaban completamente desestructurados y los niveles de daño hepático eran elevados.

¿Qué funciones está realizando XBP1 en el hepatocito para ser esencial en el proceso regenerativo? Para responder a esta pregunta de manera no condicionada, realizamos una immunoprecipitación de la cromatina unida a XBP1 y la acoplamos a la secuenciación masiva del material genómico obtenido. Dicho proceso se denomina chromatin immunoprecipitation followed by high-throughput DNA sequencing (ChIP-seq) y permite estudiar todos los sitios del genoma a los que un factor de transcripción se une, el análisis de las secuencias a las que XBP1 se asocia en el curso del proceso regenerativo. Conociendo los genes que XBP1 regula, pudimos conocer las funciones celulares que este factor de transcripción promueve.

Como era de esperar, XBP1 se une al promotor de una multitud de genes relacionados con la síntesis, plegamiento y degradación de proteínas mal plegadas. Los principales genes que realizan esta función son las chaperonas y los genes pertenecientes a la vía de la degradación proteica asociada al RE (ERAD, acrónimo en inglés). Más allá de los genes cuya regulación por XBP1 era conocida, describimos cómo XBP1 es capaz de promover la transcripción de proteínas de fase aguda. Además, describimos por primera vez que mientras que en determinados genes XBP1  se asocia preferencialmente en sitios de la cromatina próximos al sitio de iniciación de la transcripción (como en el caso de las chaperonas) en genes implicados en otras funciones, los sitios de unión de XBP1 estaban más alejados lejos de ese punto (por ejemplo, en los genes de fase aguda).

Pero lo más sorprendente fue ver que algunas de las dianas genómicas en las que la señal del ChIP-seq fue más intensa, correspondían a genes que codifican componentes  dela Respuesta al Daño al DNA, como Fen-1, una endonucleasa que actúa durante el proceso de replicación del DNA y durante la reparación del daño por escisión de bases (BER, acrónimo en inglés). Comprobamos que la asociación de XBP1 al promotor de Fen1 determinaba los niveles de expresión Fen1: mientras que en ratones no silenciados los niveles de mARN de Fen1  experimentaban un incremento importante durante la fase proliferativa de la regeneración, en los ratones silenciados este incremento se hallaba completamente suprimido. Razonamos entonces que si XBP1 estimula la síntesis de maquinaria de reparación al daño al DNA, la falta de XBP1 causaría un incremento en los niveles de daño al DNA. Efectivamente, comprobamos cómo los en los hígados de los ratones silenciados existía un daño al DNA intenso y persistente durante la regeneración hepática. Así, XBP1 es necesario para la estabilidad genómica durante el estrés replicativo de la regeneración hepática post-quirúrgica.

Los resultados de este trabajo sitúan a XBP1 como un modulador esencial para la correcta regeneración del tejido hepático tras la hepatectomía parcial y describen por primera vez el papel de XBP1 en la protección frente al daño al DNA durante el estrés replicativo.

Este trabajo también permite concebir un escenario hasta ahora poco explorado en la biología de los organismos superiores: la coordinación de la biosíntesis y secreción de proteínas con la proliferación celular intensa, necesita de un mecanismo de protección para que el estrés derivado de la fuerte demanda energética que supone el correcto plegamiento proteico no derive en defectos en la correcta replicación del DNA. Este escenario es exactamente el que se verifica en el crecimiento de las neoplasias, especialmente en aquellos en que el clon maligno posee una estirpe epitelial secretora, como los tumores de páncreas, parótidas, tiroides o mama. Pero serán futuros trabajos los que determinen la relevancia del papel protector de XBP1 en el origen o crecimiento del cáncer.

Se espera que el conocimiento de este nuevo mecanismo de protección celular pueda derivar en el futuro en nuevos tratamientos que aumenten la capacidad regenerativa hepática de los pacientes sometidos a resección hepática o trasplante y que permita avanzar en el conocimiento del papel de XBP1 en el desarrollo del cáncer.

Referencia:

Argemí J, et al. X-box Binding Protein 1 Regulates Unfolded Protein, Acute-Phase, and DNA Damage Responses During Regeneration of Mouse Liver. Gastroenterology. 2017 Apr;152(5):1203-1216.e15.

Si te ha gustado el artículo, suscríbete ahora de forma gratuita a la Revista Genética Médica y recíbela cada 2 semanas.


Acepto el Aviso Legal

Deja un comentario